أخبار التكنولوجيا

محرك عالي الكفاءة مع أول GaN IPM في الصناعة



توفر مزايا نيتريد الغاليوم (GaN) في تطبيقات تحويل الطاقة فوائد على مستوى النظام في محولات الطاقة. تُستخدم عادةً وحدات الطاقة الذكية (IPMs) لتوفير محرك مدمج وفعال وآمن للتحكم في المحرك. سنسلط في هذه المقالة الضوء على أول نظام IPM قائم على GaN في الصناعة والذي يستهدف تطبيقات مثل الأجهزة المنزلية وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).

تعمل أشباه الموصلات في مجموعة البنك الدولي على تمكين معايير كفاءة أعلى في الأجهزة وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

تمثل الأجهزة المنزلية جزءًا كبيرًا من استهلاك الطاقة في جميع أنحاء العالم. وفي أبريل/نيسان 2024، أدخلت الولايات المتحدة معايير أكثر صرامة فيما يتعلق بكفاءة استخدام الطاقة للأجهزة الشائعة مثل الغسالات والمجففات وسخانات المياه، والتي من المتوقع أن توفر للأسر والشركات الأمريكية ما يقرب من تريليون دولار على مدى ثلاثين عاما. ومن المتوقع أن توفر هذه التغييرات فائدة رئيسية أخرى تتمثل في تقليل انبعاثات غازات الدفيئة بشكل كبير.

وبالمثل في الاتحاد الأوروبي، تم وضع أهداف منقحة لكفاءة الطاقة في عام 2023 لضمان انخفاض بنسبة 11.7٪ في استهلاك الطاقة بحلول عام 2030، وكان الكثير من هذا مدفوعًا بأجهزة منزلية أكثر كفاءة. من المتوقع أن تحل المضخات الحرارية محل غلايات الغاز وأن تكون جزءًا أساسيًا من تحقيق أهداف خفض انبعاثات الكربون. فيما يتعلق بنظام تشغيل المروحة أو المحرك، فإن توفير الطاقة ينتج عن تحسين تحويل الطاقة اللازمة لتشغيل المحركات وكذلك استخدام المحركات ذات الخسائر الأقل. عادةً ما يكون التصميم الأول أسهل وأكثر فعالية من حيث التكلفة في الحلول الحالية، مع الاستمرار في تلبية معايير الكفاءة الجديدة والأكثر صرامة.

يوفر كل من كربيد السيليكون (SiC) وأشباه موصلات الطاقة GaN تحسينات كبيرة في الكفاءة مقارنة بالحلول القديمة القائمة على السيليكون في تحويل طاقة محرك المحرك. وتترجم الخسائر المنخفضة إلى توليد حرارة أقل، مما يبسط متطلبات التبريد. يمكن أن يؤدي تردد التبديل الأعلى الممكّن في هذه الأجهزة إلى توفير الحجم والتكلفة على مستوى النظام باستخدام مكونات سلبية أصغر.

أول IPM قائم على GaN في الصناعة

ترتبط IPMs في الغالب بالتحكم في المحرك وهي عبارة عن حلول متكاملة لتوصيل الطاقة تتضمن جهاز الطاقة ومحركات البوابة ودوائر التحكم للمحرك بالإضافة إلى ميزات الاستشعار والحماية لضمان التشغيل القوي والموثوق. تستخدم غالبية IPMs المتوفرة في السوق اليوم الأجهزة المستندة إلى Si مثل MOSFETs وIGBTs.

يمكن أن يختلف نطاق تشغيلها، حيث تتطلب الأجهزة الصغيرة مثل تلك المستخدمة في المطبخ عمومًا مستويات أقل من 200 واط، أو الأجهزة المنزلية الرئيسية مثل الغسالة والمجفف، أو المنتجات مثل مجففات الشعر التي تحتاج إلى قوى يمكن أن تتراوح من 200 واط إلى 5 واط. كيلوواط، والمحركات الصناعية التي تتراوح من حوالي 750 واط وما فوق. تم تقديم IPMs المستندة إلى جهاز SiC في الفئة الأخيرة، ولكن حتى الآن، لم يكن هناك IPM قائم على GaN في السوق. كشفت شركة Texas Instruments (TI) عن أول IPM قائم على GaN في معرض PCIM التجاري هذا العام.

بعض الميزات الرئيسية لهذا IPM، DRV7308، مذكورة أدناه:

  • يستهدف تطبيقات محرك 150 – 250 واط.
  • يستخدم أجهزة تحويل GaN بقدرة 650 فولت تم تكوينها على شكل 3 جسور نصفية، مصممة لجهد تشغيل 450 فولت مع معدل جهد حجب خارج الحالة 650 فولت.
  • نطاق واسع من ترددات التحويل، من القيم المنخفضة جدًا إلى 60 كيلو هرتز.
  • التحكم في معدل الدوران القابل للتعديل في محركات الأقراص المسبقة لتحقيق معدلات الدوران dv/dt عند عقدة الطور وصولاً إلى 5 فولت/نانوثانية.
  • يتم تضمين العديد من ميزات الحماية والحماية في DRV7308، مثل حماية جهد مصدر التصريف المتكامل أثناء أحداث التيار الزائد، ومقارنات التيار الزائد المدمجة للحد من التيار كل دورة، وحماية الجهد المنخفض والدائرة القصيرة، ومضخم تشغيلي لاستشعار تيار المحرك، و جهاز استشعار درجة الحرارة. يتم تشغيل الحماية السريعة والمتكاملة من التيار الزائد في حدود بضع مئات من الثواني النانوية وبالتالي حماية العاكس والمحرك أثناء ظروف التحميل الزائد.
  • منطق الوقت الميت التكيفي الذي يتيح أقل من 200 ns من الوقت الميت، بالإضافة إلى تأخير وقت الانتشار أقل من 200 ns.
  • يتم تجميع IPM في حزمة صغيرة 12 مم × 12 مم، 60 دبوسًا خالية من الرصاص (QFN).

يظهر الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا مبسطًا لـ IPM.

الشكل 1: رسم تخطيطي أساسي لـ GaN IPM (المصدر: Texas Instruments).
الشكل 1: رسم تخطيطي أساسي لـ GaN IPM (المصدر: Texas Instruments)

الأداء والمقارنات

تمت مقارنة GaN IPM بذروة IGBT IPM ذات التصنيف الحالي 5A. كان الحمل عبارة عن محرك مروحة مزود بكابل بطول 2 متر عند درجة حرارة محيطة تبلغ 25 درجة مئوية وتم تغذيته بـ 0.85 أمبير من تيار الملف المربع الجذري و250 وات من خرج العاكس. تم استخدام مصدر 300 فولت تيار مستمر مع تبديل الأجهزة عند 20 كيلو هرتز. تم تكوين معدل عدد كبير من GaN لمدة 5 فولت / نانوثانية. ويبين الشكل 2 مقارنة الكفاءة بين جهازي IPM. يؤدي فقدان الطاقة الأقل بكثير في GaN IPM إلى تحسين الكفاءة بنسبة 2% تقريبًا.

الشكل 2: مقارنة كفاءة GaN IPM مقابل IGBT IPM الذي يقود محرك المروحة (المصدر: Texas Instruments).
الشكل 2: مقارنة كفاءة GaN IPM مقابل IGBT IPM الذي يقود محرك المروحة (المصدر: Texas Instruments)

تتضمن بعض المزايا الأخرى لـ GaN IPM في تطبيقات محرك السيارات ما يلي:

  • IPMs التقليدية مع أكثر من 1 ميكرو ثانية من الوقت الميت و 500 نانو ثانية من تأخير الانتشار تحد من نطاق التشغيل لدورة عمل تحويل PWM، مع تقليل الجهد المتوفر للمحرك أيضًا. يساعد انخفاض الوقت الميت وتأخير النشر لـ GaN IPM على توسيع نطاق دورة عمل PWM، وبالتالي سرعة المحرك للسماح للمصممين بإنشاء إعدادات سرعة منخفضة للغاية وسريعة في التطبيقات، والتحكم الدقيق في السرعة اعتمادًا على تغييرات الحمل.
  • تؤدي الأوقات الميتة المرتفعة في IPMs المستندة إلى Si IGBT وMOSFET إلى تشويه تيار المحرك وبالتالي زيادة التشوه التوافقي الكلي (THD). تعد الميزة النسبية لـ THD الأقل بكثير مع GaN أكبر عند توصيل الطاقة المنخفضة نظرًا للتأثير الأكبر للوقت الميت أثناء تشغيل دورة الخدمة المنخفضة.
  • تسمح التأخيرات المنخفضة أيضًا بإحساس متوسط ​​التيار أكثر دقة، وبالتالي تحسين استشعار الموضع في محرك تحكم أقل مستشعرًا، وتحسين كفاءة المحرك.
  • تتيح خسائر التبديل المنخفضة إمكانية استخدام ترددات تحويل أعلى مع GaN IPM. هذا يمكن أن يقلل من تموج تيار الملف مما يقلل من الضوضاء المسموعة الصادرة عن المحرك. يمكن تقليل متطلبات المكثف لتلبية مواصفات EMI التي تم إجراؤها. ينتج انخفاض EMI أيضًا عن التبديل الأنظف الذي تم تحقيقه باستخدام GaN نظرًا لانخفاض الطفيليات وعدم الاسترداد العكسي.
  • يمكن تحسين معدل التدفق القابل للتعديل لمقايضة الخسائر المتعرجة مقابل خسائر التبديل النشطة.
  • لقد ثبت أن GaN IPM لا يحتاج إلى أي مبدد حرارة خارجي لمستويات الطاقة إلى 250 وات. إن الجمع بين المستوى العالي من التكامل في GaN IPM، بالإضافة إلى عدم وجود مشتت حراري خارجي يؤدي إلى توفير كبير في الحجم مقارنة بـ GaN IPM. IGBT القائم على IPM، كما هو موضح في الشكل 3 لتطبيق 250 واط. يمكن تحقيق تقليل حجم ثنائي الفينيل متعدد الكلور بنسبة تصل إلى 55%، مما يسمح بتقريب العاكس من المحرك، مما يقلل من الكابلات وبالتالي يقلل بشكل أكبر من الخسائر والتداخل الكهرومغناطيسي وتكلفة النظام.
الشكل 3: مقارنات حجم IPMs (المصدر: Texas Instruments).
الشكل 3: مقارنات حجم IPMs (المصدر: Texas Instruments)

ظهر مقال محرك عالي الكفاءة مع أول GaN IPM في الصناعة لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *