أجهزة الطاقة SiC المؤهلة للسيارات

في مجال هندسة السيارات المتطور باستمرار، يستمر السعي لتحسين الكفاءة والأداء والموثوقية. تتحول صناعة السيارات نحو الكهرباء، مما يؤدي إلى زيادة الحاجة إلى إلكترونيات الطاقة التي يمكن أن توفر كفاءة محسنة وكثافة الطاقة والاعتمادية.

لقد تطورت أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون باعتبارها تقنية مدمرة، مما يوفر مزايا كبيرة مقارنة بالمنافسين الأقدم الذين يعتمدون على السيليكون. تعد مكونات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون المعتمدة في السيارات تطورًا مهمًا لديه القدرة على إحداث تحول في صناعة السيارات الكهربائية وأنظمة طاقة السيارات.

مزايا أجهزة الطاقة SiC المؤهلة للسيارات

SiC عبارة عن مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق واسعة تُظهر خصائص كهربائية فائقة مقارنةً بالسيليكون، مثل زيادة جهد الانهيار ومعدلات التبديل الأسرع وتقليل فقد التوصيل. تمتلك SiC ميزات متأصلة تجعلها مناسبة تمامًا لأجهزة أشباه موصلات الطاقة، خاصة في التطبيقات عالية الطاقة والترددات العالية. تتضمن أجهزة الطاقة SiC صمامات شوتكي، وMOSFETs، وJFETs، المصممة لتلبية احتياجات التطبيقات المحددة.

تتميز أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون بفقد تبديل ومقاومات أقل مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة النظام وتقليل فقد الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية في أنظمة دفع المركبات الكهربائية. علاوة على ذلك، فإن الخصائص المادية الاستثنائية لـ SiC تسمح بإنشاء أنظمة إلكترونيات طاقة صغيرة وخفيفة ذات كثافة طاقة متزايدة وترددات تحويل أعلى، مما يساعد في تقليص الحجم العام وتقليل وزن مجموعات نقل الحركة في السيارات.

تم تصميم أجهزة طاقة SiC لتطبيقات السيارات لتعمل بشكل يمكن الاعتماد عليه عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يضمن أداءً قويًا في ظروف السيارات الصعبة، مثل درجات الحرارة المرتفعة والتدوير الحراري. توفر أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون موصلية حرارية متزايدة واستقرارًا أكبر للمواد، مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية والعمر الافتراضي. وهذا يقلل من فرص فشل النظام واحتياجات الصيانة، وبالتالي تعزيز دورة الحياة الكاملة لإلكترونيات السيارات.

تطبيقات SiC في السيارات

أدى الانتقال من أنظمة البطاريات 400 فولت إلى 800 فولت في المركبات الكهربائية إلى زيادة أهمية أشباه الموصلات SiC في محولات الجر وأجهزة الشحن الموجودة على متن السيارة (OBCs) ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر. وتأتي هذه الخطوة مدفوعة بزيادة مستويات الطاقة للشحن السريع بالتيار المستمر وتحسينات الكفاءة في دورات القيادة، حيث يلعب SiC دورًا حاسمًا في بطاريات وشواحن السيارات الكهربائية عالية الجهد.

يعتبر SiC مناسبًا لتطبيقات الجهد العالي التي تصل إلى عدة مئات من الفولتات ويمكنه تحمل درجات الحرارة المرتفعة في مجموعات نقل الحركة بالمركبات الكهربائية. تعتبر أشباه الموصلات SiC مناسبة تمامًا لـ OBCs والعاكسات وإلكترونيات الطاقة الأخرى في المركبات الهجينة والسيارات الكهربائية بالكامل.

تُستخدم وحدات SiC MOSFET والثنائيات بشكل شائع في محولات جر السيارات الكهربائية لتسهيل تحويل الطاقة الفعال من البطارية إلى المحرك الكهربائي. يؤدي استخدام أجهزة SiC في مجموعات نقل الحركة بالمركبات الكهربائية إلى تعزيز الكفاءة ونطاق القيادة الممتد والأداء العام الفائق. إن خسائر SiC المنخفضة وتحملها لدرجات الحرارة العالية تجعلها مثالية لتعزيز نطاق القيادة وأداء المركبات الكهربائية.

يتم استخدام وحدات الطاقة المعتمدة على SiC في OBCs للمركبات الكهربائية لتمكين الشحن بشكل أسرع وتعزيز كفاءة تحويل الطاقة من الشبكة إلى حزمة بطارية السيارة. يؤدي الأداء العالي التردد والحجم الصغير لأجهزة SiC إلى شحن أسرع وأبعاد أصغر للنظام.

تُستخدم أجهزة الطاقة SiC في الأنظمة المساعدة مثل محولات التيار المستمر/التيار المستمر في المركبات الكهربائية لضبط مستويات الجهد بكفاءة عبر الأنظمة الفرعية، مثل بطارية الجر والأنظمة المساعدة. توفر المحولات المعتمدة على SiC زيادة في الكفاءة وكثافة الطاقة مقارنة بالمحولات المعتمدة على السيليكون.

الأجهزة التجارية

روم لأشباه الموصلات

تنتج شركة Rohm Semiconductor صمامات ثنائية SiC Schottky ووحدات MOSFET ووحدات طاقة معتمدة للسيارات مصممة خصيصًا لتطبيقات السيارات ذات الجهد العالي ودرجة الحرارة العالية. تم تجهيز الأدوات بتقنيات التعبئة والتغليف والإدارة الحرارية المتطورة لضمان الأداء القوي والمتانة.

تزداد شعبية السيارات الكهربائية، لكن مداها القصير لا يزال يمثل تحديًا. أصبحت البطاريات أكبر حجمًا ويتم شحنها بشكل أسرع لتحسين مسافة القيادة. وهذا يتطلب OBCs بقدرة 11 كيلووات و22 كيلووات بقدرة وكفاءة كبيرة، مما يزيد من استخدام SiC MOSFET (الشكل 1). هناك حاجة إلى أجهزة طاقة ذات فقد منخفض وفولتية تحمل أعلى لبطاريات 800 فولت.

على سبيل المثال، SCT3022KLHR، عبارة عن 1200 فولت، 95 أمبير، SiC MOSFET بهيكل خندق لمنتجات السيارات مع مؤهل AEC-Q101. يتميز هذا الجهاز بمقاومة منخفضة (22 مللي أوم)، وسرعة تبديل سريعة واسترداد عكسي، كما أنه سهل القيادة وسهل الموازية.

إنفينيون تكنولوجيز

تقدم شركة Infineon Technologies مجموعة من دوائر SiC MOSFETs والثنائيات المؤهلة للسيارات ضمن محفظة CoolSiC. تم تصميم هذه الأجهزة لتلبية المتطلبات الصارمة لتطبيقات السيارات، بما في ذلك محولات الجر ومحولات OBC ومحولات DC/DC، مما يوفر كفاءة وموثوقية عالية لإلكترونيات الطاقة الكهربائية.

تم تصميم عائلة الصمام الثنائي المنفصل للسيارات CoolSiC من الجيل الخامس لتطبيقات OBC الحالية والمستقبلية في السيارات الهجينة والكهربائية. يوضح خط الإنتاج هذا كفاءة معززة في جميع ظروف التحميل نظرًا لتصميمه المدمج وتقنيته التي تستخدم الرقائق الرقيقة، والتي تزيد من الخصائص الحرارية وانخفاض مستوى الجدارة (س_ج × الخامس_F). تم إنشاء خط الإنتاج هذا لتعزيز محفظة Infineon IGBT وCoolMOS. وهذا يضمن الامتثال لمعايير تطبيقات السيارات الأكثر صرامة ضمن فئة الجهد 650 فولت.

تم تطوير وحدات CoolSiC MOSFETs باستخدام تقنية الخنادق بجهد انهيار يبلغ 1200 فولت وهي متوفرة في حزم TO-247 وTO-263-7 (الشكل 2). يمكن أن تؤدي زيادة تردد التحويل للمحول باستخدام وحدات CoolSiC MOSFET إلى تقليل حجم ووزن المكونات المغناطيسية بنسبة تصل إلى 25%، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في تكلفة التطبيق. يلبي تحسين الأداء معايير الكفاءة الأكبر للمركبات الكهربائية في اللوائح الجديدة. تضمن الاعتمادية الاستثنائية لأكسيد البوابة وInfineon SiC عالي الجودة عمرًا تشغيليًا طويلًا وآمنًا، مما يلبي مواصفات ملف تعريف المهمة الصعبة. تضمن الخصائص الإضافية مثل الحد الأدنى من شحن البوابة ومستويات سعة الجهاز، وغياب خسائر الاسترداد العكسي في الصمام الثنائي الداخلي المقاوم للتبديل، وخسائر التبديل المنخفضة المستقلة عن درجة الحرارة، وخصائص الحالة الخالية من العتبات، عملية تصميم مباشرة وسهولة التحكم في التطبيقات .

نافيتاس لأشباه الموصلات

من خلال الاستحواذ على GeneSiC، عززت Navitas Semiconductor، وهي شركة مشهورة لتصنيع الدوائر المتكاملة لطاقة GaN، محفظتها للتطبيقات عالية الطاقة، مثل المركبات الكهربائية والطاقة الشمسية والتطبيقات الصناعية. وتوفر مركبات SiC في المركبات الكهربائية، على وجه الخصوص، حلولًا مدمجة وأخف وزنًا وأكثر فعالية، مما يؤدي إلى زيادة نطاق القيادة أو تقليل حجم البطارية.

اليوم، تقدم Navitas نطاقًا واسعًا من تكنولوجيا SiC، بجهود تتراوح من 650 فولت إلى 6500 فولت. ويقدم GeneSiC SiCPAK (الشكل 3) مجموعة من خيارات الحزم، بدءًا من شبكات QFN المثبتة على السطح مقاس 8 × 8 مم وحتى شبكات TO عبر الفتحات -247s، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الطاقة العالية. ويجري حاليًا تطوير خطة تفصيلية لوحدات الطاقة، تتضمن دوائر SiC MOSFETs عالية الجهد، وثنائيات MPS، ودوائر طاقة GaN، وعوازل رقمية عالية السرعة ودوائر التحكم في السيليكون منخفضة الجهد.

تستخدم وحدات SiCPAK تقنية “الضغط المناسب” لتوفير أحجام صغيرة لدوائر الطاقة وتقديم حلول عالية الطاقة وفعالة من حيث التكلفة للمستهلكين. تم إنشاء الوحدات باستخدام قالب GeneSiC المعروف بأدائه الاستثنائي وموثوقيته ومتانته. ومن الأمثلة على ذلك وحدة نصف الجسر SiCPAK التي تتميز بتقنية SiC MOSFET للبوابة المستوية بمساعدة الخنادق، والتي تم تصنيفها بـ 6 مللي أوم عند 1200 فولت.

يتم ربط كل شريحة SiC في SiCPAK الخالية من الرصاص بركيزة الوحدة باستخدام تلبيد الفضة لتعزيز التبريد والموثوقية. الركيزة مصنوعة من النحاس المرتبط مباشرة ويتم إنتاجها باستخدام طريقة لحام المعدن النشط على سيراميك نيتريد السيليكون، وهي مناسبة لاستخدامات تدوير الطاقة. يوفر هذا الهيكل قوة ومرونة استثنائيتين، ومقاومة للكسر، وموصلية حرارية عالية لأداء موثوق ودائم وطويل الأمد.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهرت أجهزة الطاقة SiC المؤهلة للسيارات لأول مرة على Power Electronics News.