أخبار التكنولوجيا

سلسلة CoolSiC بقوة 1200 فولت من Infineon المُحسّنة لمحولات OBC للسيارات ومحولات DC/DC



وفقًا لمجموعة Yole Group، وهي شركة لأبحاث السوق تركز على أشباه موصلات الطاقة، من المتوقع أن يصل إجمالي سوق كربيد السيليكون إلى 3.8 مليار دولار في عام 2024، ومن المتوقع أن يقفز إلى 6.6 مليار دولار في عام 2028. الجمع بين الأنظمة الرئيسية للسيارة الكهربائية (عاكس الجر، والشاحن الموجود على متن السيارة) [OBC] ومحول DC/DC)، يذهب 74% من القيمة السوقية إلى صناعة السيارات. وبالتالي، فإن شركات تصنيع كربيد السيليكون، التي تغريها آفاق النمو في السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات، تستثمر بكثافة في مصانع جديدة، كما يجلب بعضها نموذج تصنيع جديد للتكامل الرأسي لحماية سلسلة التوريد الخاصة بها ضد الاضطرابات المحتملة.

اليوم، يواجه موردو SiC بعضهم البعض من خلال تقديم تقنيات المستوية والخنادق ومحاولة التفاخر بمزايا كل منهما. اختارت شركة Infineon Technologies الخندق. تُستخدم وحدات CoolSiC MOSFET الخاصة بالشركة في مجالات التطبيقات المختلفة، بما في ذلك السيارات، مثل محولات الطاقة الشمسية وطواحين الهواء ومحطات الشحن وأنظمة التخزين ومحركات المحركات وإمدادات الطاقة. نظرًا لتواجدها في سوق السيارات لسنوات عديدة ومع فهمها الكامل لمتطلباتها، فقد قدمت Infineon إصدارًا جديدًا من CoolSiC بقوة 1200 فولت، تم تصميمه وتحسينه للاستخدام في محولات OBCs وDC/DC. ويكتمل هذا التكرار للتكنولوجيا بمفهوم تغليف جديد للتبريد الجانبي العلوي (TSC) يعمل على زيادة الكفاءة وأداء النظام إلى الحد الأقصى.

اتجاهات السوق والتطبيق

يقوم OBC بتحويل جهد شبكة التيار المتردد المتوفر في أي منزل إلى جهد تيار مستمر يمكنه شحن السيارة الكهربائية أو بطارية السيارة الهجينة. يتم شحنها عادةً باستخدام شاحن تيار متردد L1 أو L2، والذي يمكن العثور عليه في المنازل وأماكن العمل.

تصنيف الطاقة الأكثر شيوعًا اليوم لـ OBC هو 6 كيلو واط، وهو أمر نموذجي للعديد من أجهزة الشحن المنزلية ويوفر مقايضة جيدة بين سرعة الشحن والتوافق مع الموصلات المنزلية القياسية والأنظمة الكهربائية. تتوفر أيضًا معدلات طاقة أعلى، 11 كيلووات و22 كيلووات، وأصبحت أكثر شيوعًا في نماذج السيارات الكهربائية الجديدة. يعمل OBC ذو تصنيف الطاقة الأعلى على تقليل وقت الشحن ولكنه يتطلب غالبًا مصدرًا ثلاثي الطور.

التعبئة والتغليف تتقدم أيضًا بوتيرة سريعة. يتم استبدال الأجهزة التي يتم تركيبها عبر الفتحات بأجهزة مثبتة على السطح، وفي نهاية المطاف، ستكون أجهزة TSC هي الخيار الأمثل.

فيما يتعلق بالطوبولوجيا، سيتم تحقيق تحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر في النهاية باستخدام طبولوجيا B8 والجسر المزدوج النشط (DAB)، من طبولوجيا B6 وCLLC المستخدمة اليوم. تتكون طوبولوجيا B6، والمعروفة أيضًا باسم مقوم الجسر ثلاثي الطور، من ستة محولات مرتبة في تكوين جسر، في حين تستخدم طوبولوجيا B8 مقومات 2 × B6 على التوازي، يتم تغذية كل منها بواسطة ملف ثانوي مختلف لمحول متغير الطور. CLLC هو نوع شائع من محولات الرنين المستخدمة في إلكترونيات الطاقة، خاصة لتحويل DC/DC. فهو يجمع بين ميزات محولات الرنين LLC وLCC، مما يوفر العديد من المزايا، مثل تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه. DAB هو محول ثنائي الاتجاه يستخدم محول عزل عالي التردد وتقنية تعديل تحول الطور.

وفيما يتعلق بتكامل النظام، سيكون الاختيار النهائي هو “X in 1″، والذي يشير إلى دمج مكونات أو وظائف متعددة في وحدة واحدة في المحركات الكهربائية. يمثل “X” عدد المكونات المتكاملة ويمكن أن يكون ثلاثة أو خمسة (انظر الشكل 1).

مفهوم X-in-1 للمحركات.
الشكل 1: مفهوم X-in-1 لمحركات نقل الحركة (المصدر: شركة Nissan Motor Corporation)

تنعكس جميع القيود المذكورة أعلاه في المتطلبات الجديدة لـ SiC MOSFET عالي الجهد المستخدم كمفتاح طاقة: فقد منخفض (التوصيل والتبديل)، وتشغيل عالي التردد، ومسافة زحف مناسبة وحزمة مدمجة.

يوضح الشكل 2 مثالاً على عمود الطوطم B8 PFC + DAB DC/DC المزود من شبكة ثلاثية الطور وبطاريات شحن 800 فولت.

مثال على طوبولوجيا OBC.
الشكل 2: مثال على طوبولوجيا OBC (المصدر: Infineon Technologies)

تقنية CoolSiC G1p

إن تكرار تقنية G1p مشتق من G1 من CoolSiC وتم تحسينه للاستخدام في أنظمة تحويل OBC وDC/DC، مما يفيد العملاء بحلول فعالة من حيث التكلفة وفعالة وصغيرة الحجم وموثوقة.

مقطع عرضي من G1p المحسّن القائم على الخندق وحزمة TSC QDPAK الجديدة.
الشكل 3: مقطع عرضي من G1p المحسّن القائم على الخندق وحزمة TSC QDPAK الجديدة (المصدر: Infineon Technologies)

يتضمن متغير G1p تحسينات بسبب القناة الجديدة وهندسة الخنادق؛ أكسيد البوابة الجديدة زيادة جهد محرك البوابة (20 فولت) لتقليل المقاومة (Rعلى) وتمعدن الرقاقة الأساسية الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، تُترجم السعة المنخفضة إلى إيقاف تشغيل أكثر كفاءة (أي خسائر أقل في التحويل)؛ مناعة ضد الطفيليات (PTO) ؛ ومقاومة حرارية أفضل بفضل لحام الانتشار.

في ندوة مخصصة عبر الإنترنت، قام جينادي كوستين، مهندس تطبيق المنتج من Infineon، ولورا وورنج، مديرة المنتج، بقياس أداء G1p فيما يتعلق بـ G1 والمنافسين من خلال التركيز على ثلاثة أرقام من الجدارة (FOMs) – الكفاءة وقوة PTO وقوة السائق – محددة على النحو التالي:

تم تحسين نماذج FOM الثلاثة بنسبة -70%، -50%، و-10%، على التوالي، مقابل G1. تدعي شركة Infineon أن تكرار G1p يتفوق أيضًا بشكل منهجي على منافسيها الرئيسيين.

تم أخذ قيم وحدات SiC MOSFETs الأخرى من المصادر المفتوحة لأحدث أجيال من وحدات SiC MOSFETs بجهد 1200 فولت في D2PAK7 عند تقديم G1p.

تقليل تعقيد النظام

يسمح G1p بالقيادة أحادية القطب لأنه يمكن الآن إيقاف تشغيل MOSFET الخامسع = 0 ويمكن تشغيله عن طريق تطبيق محرك 20 فولت على البوابة بدلاً من استخدام -10 فولت لإيقاف تشغيله. وبالتالي، يتم تقليل تكلفة النظام بفضل التخلص من أجزاء متعددة في مصدر الطاقة لسائق البوابة.

تقنية الربط البيني .XT

بفضل تقنية التوصيل البيني .XT الخاصة بشركة Infineon، حاولت الشركة بنجاح حل صراع قديم في إلكترونيات الطاقة: الحاجة إلى الوصول إلى عامل شكل أصغر وتحسين الأداء الحراري.

تعد تقنية .XT طريقة متقدمة لتعزيز كثافة الطاقة وموثوقية أشباه الموصلات. وهو يعتمد على لحام الانتشار، الذي يعمل على تحسين الاتصال الحراري بين الشريحة وإطار الرصاص فيما يتعلق بعملية اللحام القياسية، مما يعزز التبديد الحراري ويقلل درجات حرارة التشغيل. من خلال تحسين الإدارة الحرارية، تسمح تقنية .XT بإنتاج تيار أعلى وإطالة عمر الجهاز. تعمل هذه التقنية أيضًا على تخفيف مشكلات الموثوقية في ظل الضغوط الحرارية والميكانيكية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصعبة. بالأرقام، يعمل كل من .XT وCoolSiC على تحسين المقاومة الحرارية بنسبة 25%، وتعزيز التبديد بنسبة 30%، ويمكنهما تقليل درجة حرارة التشغيل بمقدار 15 كلفن لحزمة معينة.

(أ) اللحام القياسي و (ب) اللحام المنتشر.
الشكل 4: (أ) اللحام القياسي و(ب) اللحام الانتشاري (المصدر: Infineon Technologies)

مجموعة منتجات CoolSiC G1p وميزات QDPAK

يتم تقديم مجموعة المنتجات الجديدة 1200 فولت في ثلاث مجموعات: D ذات سبعة أسلاك2PAK7 وأربعة الرصاص TO-247-4 (مع Rعلى من 8 مΩ إلى 160 مΩ) وTSC QDPAK (مع Rعلى من 17 مΩ إلى 160 مΩ). يمكن للمنتجات ذات التيار الأعلى أن تعالج تطبيقات تزيد عن 100 كيلووات، في حين أن أصغرها مخصص لـ 500 كيلووات من الطاقة.

يتضمن تصميم TSC QDPAK بعض التحسينات لتعزيز الأداء:

  • نفس الارتفاع مثل حزمة TOLT ذات الجهد المنخفض TSC (2.3 مم) يجعل تجميع PCB أسهل.
  • مركب قالب بمؤشر تتبع مقارن أكبر من 600 فولت لتقليل متطلبات الزحف من 6 مم إلى 4.75 مم (فئة المادة 1). التتبع هو العملية التي تسبب مسارًا موصلًا جزئيًا للتدهور الموضعي على سطح المادة العازلة بسبب التفريغ الكهربائي.
  • يساعد الأخدود الموجود في مركب القالب على الوصول إلى مسافة الزحف المطلوبة دون التنازل عن السلوك الحراري.
  • لحام الانتشار

يتطلب TSC موصلات أقل بنسبة 76% ولوحة FR4 PCB (بدلاً من IMS PCB) التي يمكن تركيب الطاقة والدوائر المتكاملة والمحركات والمكونات المغناطيسية عليها. يسمح تبسيط التركيب الجذري بتوفير أكثر من 30% في التجميع و18% في تكاليف ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع تمكين التصنيع الآلي بالكامل.

QDPAK عبارة عن حزمة أصدرتها JEDEC يمكنها تمكين المصادر المتعددة من الشركات المصنعة والمقاولين من الباطن الآخرين للحصول على شرائح السوق المتزايدة باستمرار.

أخيرًا، يمكن مساعدة تصميمات QDPAK من خلال العروض التوضيحية ولوحات التقييم، مثل Tiny Power Box (7 كيلو واط OBC)، ولوحة تقييم eFuse (إثبات لمفهوم المصهر الإلكتروني عالي الجهد) ومجموعة تقييم النبض المزدوج (لتوضيح التكامل الأكثر برودة لـ G1p في QDPAK).

ظهرت سلسلة CoolSiC بقوة 1200 فولت من Infineon المُحسّنة لـ OBCs للسيارات، ومحولات DC/DC لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

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