أحدثت أشباه الموصلات في مجموعة البنك الدولي ثورة في تصميم السيارات (الجزء الأول)

في جميع أنحاء العالم، حددت الحكومات لنفسها هدف الوفاء بالتزاماتها المتعلقة بتغير المناخ. ولتحقيق ذلك، فإنهم يقودون تحول الطاقة إلى السيارات الكهربائية من خلال التشريعات والحوافز المالية. ويلعب البحث التكنولوجي دورا رئيسيا في هذا الصدد. في الواقع، من المتوقع أن ينمو إجمالي السوق العالمية لبطاريات السيارات الكهربائية والمركبات الهجينة إلى ما يقرب من 1.6 مليار دولار بحلول عام 2030. وفي الوقت نفسه، يجب دعم النمو السريع لهذا القطاع من خلال التحسينات في تصميم السيارات، والتي يجب أن تكون جاهزة للتكيف. مواجهة هذا التغيير التاريخي.

قوة SiC في تطبيقات السيارات

يعد كربيد السيليكون حاليًا أكثر تقنيات النطاق العريض الحالية نضجًا لأشباه موصلات الطاقة. لقد أثبتت SiC في الآونة الأخيرة أنها حليف هائل للمركبات الكهربائية والمركبات الهجينة، وأصبحت التكنولوجيا التمكينية لها بفضل خصائصها الحرارية والكهربائية الاستثنائية. أحد التطبيقات الأكثر وضوحًا هو في وحدات الطاقة لمحولات الطاقة DC/DC ومحولات الجر، وهي السياقات التي تترجم فيها المقاومة الحرارية لـ SiC إلى إدارة أكثر كفاءة للحرارة. والنتيجة المباشرة لكل هذا هي استقلالية أكبر للمركبات الكهربائية وعمر بطارية أطول.

علاوة على ذلك، فإن استخدام محولات SiC يساعد على تقليل خسائر التبديل وبالتالي تحسين الكفاءة الإجمالية لنظام الجر. وهذا مهم بشكل خاص للمركبات الكهربائية، حيث تترجم كل نسبة مئوية من الكفاءة المكتسبة مباشرة إلى زيادة المدى وتقليل استهلاك الطاقة.

كما تتيح خصائص SiC، مثل فجوة النطاق الواسعة، التشغيل في درجات حرارة أعلى، وهو أمر بالغ الأهمية في بيئة السيارات حيث تمثل إدارة الحرارة تحديًا مستمرًا. تساعد هذه الميزات على تحسين استقرار وموثوقية النظام، مما يضمن أداءً ثابتًا حتى في ظروف القيادة القاسية.

يتمتع SiC أيضًا بخصائص حرارية فائقة ويمكنه توصيل كميات كبيرة من الطاقة الحرارية. قادت SiC إدخال تقنية واسعة النطاق (WBG) في مشهد السيارات الكهربائية، لتحل محل وحدات MOSFET السيليكونية السابقة أو IGBTs في عاكس الجر. تُعرف وحدات SiC MOSFET بموصليتها الفائقة وأداء التبديل. من خلال الاستفادة من الخصائص المفضلة لـ SiC، يمكن لـ SiC MOSFETs، مع مساحة قالب تقارب نصف مساحة IGBTs، أن تجمع بين الخصائص المرغوبة التالية لمفتاح الطاقة:

• الجهد العالي
• مقاومة منخفضة R_{DS (على)}
• سرعة تبديل عالية
• خسائر التبديل منخفضة

تتيح وحدات SiC MOSFET لمصممي أنظمة السيارات تحسين الكفاءة؛ تقليل حجم غرفة التبريد والتكلفة؛ زيادة تردد التبديل لتقليل حجم المكون المغناطيسي؛ وتقليل تكلفة التصميم والحجم والوزن. وعلى وجه الخصوص، يضمن استخدام SiC في المركبات الكهربائية قدرًا أكبر من استقلالية التشغيل، وأحجام أصغر للبطاريات، وشحنًا أسرع.

يوفر SiC درجة حرارة تشغيل وسرعة تحويل أعلى من IGBTs السيليكون، بالإضافة إلى جهد انهيار عالي بالنسبة لحجم الجهاز، مما يسمح بمزيد من المتانة وكثافة الطاقة. تعتبر هذه القدرات مثالية، على سبيل المثال، في الوحدات العاكسة لمحركات قطاع السيارات، والتي يجب بالضرورة أن تنقل كميات كبيرة من الطاقة من وإلى البطارية. تعد سرعة التبديل أحد المعايير الأساسية لتصميم أنظمة السيارات القادرة على التأثير على كفاءتها وأدائها. بفضل نظام بطارية 800 فولت وسعة البطارية الكبيرة، يؤدي SiC إلى كفاءة أعلى في العاكسات وبالتالي يتيح فترات تشغيل أطول وتكاليف أقل للبطارية.

يعمل SiC أيضًا على تحسين كفاءة وكثافة الطاقة للشاحن الموجود على اللوحة (OBC). تسمح المادة بتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، من التيار الكهربائي إلى البطارية، والعكس. كما أن لها تأثيرًا إيجابيًا على إدارة البطارية: فهي تتيح استقلالية أكبر للمركبة بنفس حجم البطارية أو بطاريات أصغر حجمًا وأخف وزنًا بنفس الاستقلالية. علاوة على ذلك، يمكن أن يكون الشحن باستخدام البنية التحتية المعنية أسرع بكثير بفضل SiC. تزن المركبات عالية الكفاءة وزنًا أقل نظرًا لسعة البطارية وجهد التبريد المنخفض والأسلاك المحسنة. تساعد حلول نظام SiC على تحسين الكفاءة الإجمالية للمركبة، خاصة في ناقل الحركة وعاكس الجر وOBC. وأخيرًا، هناك ميزة كبيرة تتمثل في إمكانية وضع مكونات SiC باستخدام تقنيات مصممة ومستخدمة للسيليكون.

أهمية GaN في تصميم السيارات من الجيل التالي

نيتريد الغاليوم هو مادة أخرى تكتسب أهمية كبيرة في صناعة السيارات، وخاصة في أنظمة الطاقة عالية التردد. تعتبر الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة المعتمدة على GaN مناسبة تمامًا لتطبيقات مثل محولات التيار المستمر/التيار المستمر، وشواحن البطاريات، وأنظمة إدارة البطارية. بفضل سرعة التبديل العالية، يسمح GaN بتصميم محولات أكثر إحكاما وأخف وزنا، مما يساهم في تقليل الوزن الإجمالي للمركبة وتحسين كفاءة الطاقة في النظام العام. وهذا مهم بشكل خاص في المركبات الكهربائية، حيث الوزن هو عامل التصميم المحدد.

تساعد مقاومة التوصيل المنخفضة لـ GaN مقارنة بالمواد التقليدية على تقليل فقدان الطاقة في أنظمة الوقود، مما يزيد من تحسين الكفاءة الإجمالية للمركبة، وهو أمر أساسي لضمان استخدام الطاقة المخزنة في البطاريات على النحو الأمثل، مما يساهم في تحقيق أقصى قدر من استقلالية السيارة الكهربائية. في حين أن أجهزة SiC تحظى بشعبية كبيرة في التطبيقات ذات الجهد العالي، فإن GaN توفر مزايا قيمة عند تطبيقها على المنصات التي تعمل بجهد بطارية أقل يصل إلى حوالي 400 فولت.

تطبيقات مدمجة لـ SiC وGaN لقطاع السيارات

كما نعلم، يعد سوق السيارات قطاعًا ديناميكيًا للغاية ويطرح تحديات تتعلق بالوزن والمساحة. لا يجب حساب التكاليف بعناية فحسب، بل تختلف الفولتية بشكل كبير – من حوالي 5 فولت إلى أكثر من 100 فولت في المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي وحتى الفولتية الأعلى في المركبات الكهربائية أو المركبات الهجينة. مع نمو وانتشار سوق السيارات الكهربائية والمركبات الهجينة، أصبح تحويل الطاقة بكفاءة أكثر أهمية. ونتيجة لذلك، يتعرض المصممون لضغوط مستمرة لدمج أنظمة الأداء المتزايدة بشكل فعال من حيث التكلفة في أحجام أصغر وأخف وزنًا وأكثر كفاءة. يمكن أن تساعد وحدات الطاقة المعتمدة على GaN وSiC في تحقيق العديد من أهداف التصميم هذه لأنظمة المركبات الكهربائية والمركبات الهجينة. توجد تطبيقات السيارات التي يمكن أن تستفيد من الكفاءة المحسنة وكثافة الطاقة في جميع أنحاء السيارة، من المحرك إلى مجموعة نقل الحركة إلى التحكم في السيارة، ومن وحدة تحكم السائق إلى نظام المعلومات والترفيه.

إن الاستخدام المشترك لـ SiC و GaN في أنظمة السيارات يفتح آفاقًا مثيرة. إن الطريقة التي تتكامل بها خصائصها مع بعضها البعض تسمح بتصميم أنظمة جر كهربائية مدمجة وعالية الكفاءة وموثوقة. على سبيل المثال، لا يؤدي دمج SiC وGaN في وحدات الطاقة إلى زيادة فوائد كلتا المادتين فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى الحصول على ترددات تحويل أعلى، وتحسين كفاءة الطاقة، وتقليل فقد الطاقة، وتحسين الإدارة الحرارية للمكونات. وتكتسب فوائد هذا التآزر أهمية خاصة في السيارات الكهربائية، حيث تتزايد أهمية الكفاءة العالية للتغلب على التحديات المتعلقة بالاستقلالية.

الاتجاهات المستقبلية

مع تطور سوق أجهزة أشباه موصلات الطاقة WBG، يقود GaN وSiC مستقبل كثافة الطاقة العالية وكفاءة الوزن. في حين أن التبني التجاري لأشباه الموصلات في مجموعة الضفة الغربية لا يزال يواجه عقبات صغيرة – على سبيل المثال، فيما يتعلق بتصميم التغليف ومحولات الطاقة – حيث أصبحت التقنيات أكثر نضجًا وتطورًا، فإن المزيد من الحلول آخذة في الظهور، مع استعداد GaN وSiC لتصبح أكثر قدرة على المنافسة من السيليكون ، وبالتالي زيادة أهميتها الاستراتيجية عند تقييم مقايضات التصميم.

من المتوقع أن ينمو دور SiC و GaN في صناعة السيارات بمرور الوقت، مما يدفع الابتكار نحو أنظمة الجر الكهربائية ذات الكفاءة المتزايدة والقريبة من معايير الاستدامة البيئية. ولن يساعد الاستخدام المشترك لهذه المواد المتقدمة على تقليل الانبعاثات وتحسين كفاءة الطاقة فحسب، بل سيعيد أيضًا تحديد معايير الأداء في سيارات المستقبل. ويتمثل التحدي الآن في دمج هذه التقنيات بشكل فعال في مركبات الإنتاج الضخم على نطاق واسع، مما يمهد الطريق لعصر جديد من التنقل المتقدم والمستدام والذكي.

في النهاية، يعني SiC وGaN أنه يمكن معالجة تحديات التصميم بنجاح عن طريق تقليل وقت التطوير. تضمن تقنية WBG خسائر أقل، وترددات تحويل أعلى، ودرجات حرارة تشغيل أعلى، ومتانة في البيئات القاسية وفولتية انهيار عالية. مع تحرك الصناعة نحو البطاريات ذات السعة الأعلى التي تعمل بجهد كهربائي عالي مع فترات شحن أقصر بشكل متزايد وفواقد أقل بشكل عام، فإن فوائد هذه المواد تعد بإحداث ثورة في تصميم السيارات.

مرجع

¹فان دو وآخرون. (2021). “أشباه موصلات الطاقة واسعة النطاق لأنظمة المركبات الكهربائية: التحديات والاتجاهات.” مجلة IEEE لتكنولوجيا المركبات، 16(4)، الصفحات من 89 إلى 98.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

التدوينة WBG Semiconductors تُحدث ثورة في تصميم السيارات (الجزء الأول) ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.