GaN HEMTs في تطبيقات محرك السيارات: إحداث ثورة في الكفاءة والأداء

[ad_1]

منذ طرح ترانزستورات نيتريد الغاليوم عالية الحركة للإلكترونات (HEMTs)، شهد قطاع تطبيقات محركات السيارات تغييرًا ملحوظًا. بفضل فوائدها العديدة مقارنة بالتقنيات التقليدية السابقة المعتمدة على السيليكون، أصبحت هذه الأجهزة شبه الموصلة ذات فجوة النطاق الواسعة فجأة لاعبًا رئيسيًا. في هذه المقالة، سوف نستكشف خصائص GaN HEMTs، واستخداماتها في محركات السيارات والفوائد الحقيقية التي تجلبها في تطبيقات الطاقة هذه.

GaN HEMTs في تطبيقات محرك السيارات

GaN HEMTs هي فئة محددة من ترانزستورات التأثير الميداني (FETs). تعتبر هياكل الوصلات غير المتجانسة هي المبدأ الأساسي الذي تعمل عليه، مما يسهل حركة الإلكترون المحسنة والأداء العالي مقارنة بالترانزستورات التقليدية القائمة على السيليكون. تتميز GaN HEMTs بخصائص ملحوظة، بما في ذلك ارتفاع جهد الانهيار، وانخفاض المقاومة وسرعة التحويل المتميزة، مما يجعلها مناسبة للغاية للتطبيقات التي تتطلب ترددات عالية وطاقة عالية.

المزايا التي توفرها تقنية GaN HEMT لتطبيقات محرك السيارات هي كما يلي:

• فجوة نطاق واسعة: قد تعمل أجهزة GaN HEMTs في درجات حرارة أعلى من الأجهزة القائمة على السيليكون بسبب فجوة النطاق الواسعة لـ GaN. في GaN، تبلغ الطاقة اللازمة لنقل الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل 3.4 فولت، مقارنة بـ 1.1 فولت للسيليكون وحوالي 3.2 فولت للسيليكون. إن الخاصية الفيزيائية لامتلاك فجوة نطاق أوسع بمقدار 3 مرات من السيليكون تؤدي إلى جهد انهيار أعلى قابل للتطبيق. علاوة على ذلك، فإن GaN HEMTs أقل عرضة للانفلات الحراري، وبالتالي تعزيز موثوقية النظام.
• الكفاءة المحسنة: تعد الكفاءة المتزايدة لـ GaN HEMTs في تطبيقات محرك السيارات إحدى أهم مزاياها. تكون خسائر التبديل وخسائر التوصيل لهذه الأجهزة أصغر بشكل ملحوظ مقارنة بنظيراتها المعتمدة على السيليكون. وبالتالي، فإن استخدام GaN HEMTs في محركات السيارات يؤدي إلى تعزيز الكفاءة الإجمالية، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة وتوفير التكاليف للمستخدمين النهائيين.
• كثافة طاقة أعلى: توفر GaN HEMTs كثافة طاقة متزايدة، مما يسهل تطوير أنظمة قيادة المحركات التي تكون أكثر إحكاما وخفة الوزن. وهذا مفيد بشكل خاص في التطبيقات التي تعتبر فيها القيود المفروضة على المساحة والوزن اعتبارات حاسمة. يمكن للمهندسين تحقيق عوامل شكل أصغر دون التضحية بإنتاج الطاقة أو الموثوقية من خلال الاستفادة من الأداء الاستثنائي لـ GaN HEMTs.
• سرعات تحويل أسرع: تكمن الميزة الإضافية المهمة لـ GaN HEMTs في سرعة التبديل الرائعة. ويرجع ذلك إلى ارتفاع حركة الإلكترون في GaN ومعدل تشبع الإلكترون. يوفر GaN حركة إلكترونية تبلغ 1500 سم²/Vs، مقارنة بـ 1450 سم²/ مقابل السيليكون. من ناحية أخرى، يتمتع SiC بحركة إلكترونية متواضعة، تقترب من 900 سم²/Vs، مما يجعلها أقل ملاءمة لتطبيقات التبديل عالية السرعة. يمكن لهذه الأجهزة التنشيط وإلغاء التنشيط بسرعة، مما يتيح التنظيم الدقيق لأنظمة تشغيل المحرك، مثل محرك التحكم الجيبي الدقيق. تم العثور على زيادة معدلات التبديل لتخفيف التداخل الكهرومغناطيسي، وتعزيز الكفاءة التشغيلية والأداء في التطبيقات التي تتطلب سرعات متغيرة.
• إدارة حرارية محسّنة: تتيح أجهزة GaN HEMTs إدارة حرارية فعالة في تطبيقات تشغيل المحركات نظرًا لخصائصها الحرارية الاستثنائية. يؤدي انخفاض متطلبات تبديد الحرارة إلى تسهيل استخدام استراتيجيات تبريد أبسط، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف وتعزيز اعتمادية النظام. هذه الميزة مفيدة بشكل خاص في التصميمات صغيرة الحجم التي يكون فيها تبديد الحرارة الفعال أمرًا بالغ الأهمية.

أجهزة GaN HEMT

تقدم شركة Infineon Technologies أجهزة GaN HEMTs تحت علامتها التجارية CoolGaN. تشتمل عائلة CoolGaN على حلول منفصلة ومتكاملة توفر كفاءة عالية وكثافة طاقة، وتستهدف التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والسيارات. تعد ترانزستورات GaN ذات وضع التحسين من Infineon مناسبة لتطبيقات الطاقة الصعبة في نطاق الجهد من 100 فولت إلى 700 فولت.

تقدم CoolGaN HEMTs العديد من المزايا للتحكم في المحركات، بما في ذلك:

• مقاومة محددة منخفضة
• انخفاض س_OSS وأكثر خطية C_OSS
• انخفاض س_ع
• لا يوجد استرداد عكسي (س_ر.ر)
• حزمة الحث المنخفض

على مستوى النظام، تترجم هذه الخصائص إلى:

• كثافة طاقة أعلى
• انخفاض تموج الحالي
• انخفاض الضوضاء الصوتية
• عرض النطاق الترددي العالي لحلقة التحكم
• استجابة أسرع للخطوات

يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي للوحة تقييم Infineon بقدرة 1 كيلو وات 100 فولت لتطبيقات محرك السيارات. المكونات الرئيسية لهذا المجلس هي:

• 2 × IQC03xG10LS1SC 100-V CoolGaN SG HEMT
• 2 × EDN7126G EiceDRIVER 200-V محرك بوابة TDI عالي الجانب IC لـ GaN HEMTs وMOSFETs
• 1 × TLI4971 XENSIV مستشعر تيار مغناطيسي عالي الدقة بدون قلب
• 1 × TLS202 منظم لاحق للجهد الخطي الثابت

يعمل هذا التصميم بتردد تحويل في نطاق 20 إلى 100 كيلو هرتز، ويمكن أن يوفر طاقة خرج ثلاثية الطور تبلغ 1 كيلووات، مناسبة لقيادة محركات DC (BLDC) ومحركات PMSM بدون فرش. الكفاءة عالية جدًا على كامل نطاق تردد التبديل، كما هو موضح في الشكل 2.

في تطبيقات محرك المحرك عالي التردد، يوفر GaN ميزة واضحة على نظيراته القائمة على السيليكون، بما في ذلك أشكال موجية تيار أنظف، وتشغيل أكثر سلاسة وكفاءة أعلى.

شركة Texas Instruments

في معرض APEC 2024، كشفت شركة Texas Instruments عن مرحلة طاقة 100 فولت GaN مصممة خصيصًا لتحقيق كثافة طاقة رائدة في تطبيقات الطاقة الصعبة مثل مراكز الطاقة المتجددة والسيارات والبيانات. LMG2100R044 عبارة عن مرحلة طاقة نصف جسر 100 فولت 35 أمبير GaN، و LMG3100R017 عبارة عن مرحلة طاقة GaN FET 100 فولت 1.7 متر مكعب مع محرك متكامل.

باستخدام LMG2100R044 وLMG3100R017، يستطيع المصممون تقليل حجم حلول الطاقة لتطبيقات الجهد المتوسط ​​بأكثر من 40% وتحقيق كثافة طاقة رائدة في الصناعة تزيد عن 1.5 كيلووات/بوصة.³. وبفضل ترددات التحويل الأعلى لتقنية GaN، تعمل المنتجات الجديدة أيضًا على تقليل فقد تحويل الطاقة بنسبة 50% مقارنة بالحلول القائمة على السيليكون، مع تحقيق كفاءة النظام بنسبة 98% أو أعلى بسبب انخفاض سعة الإخراج وانخفاض خسائر محرك البوابة.

أحد العناصر الأساسية التي تجعل الأداء الحراري لمجموعة GaN 100 فولت ممكنًا هو حزمة TI المبردة على الوجهين مع الأداء الحراري المحسن. تتيح هذه التقنية إزالة الحرارة بشكل أكثر كفاءة من جانبي الجهاز وتوفر مقاومة حرارية محسنة مقارنة بأجهزة GaN المدمجة المنافسة.

نظرًا لعدم وجود صمام ثنائي للجسم، يتميز GaN باسترداد عكسي صفر، مما يؤدي إلى عدم وجود وقت استقرار للتيار في الانحياز العكسي للصمام الثنائي. وهذا بدوره يولد خسائر أقل في الوقت الميت وكفاءة أفضل. نظرًا لترددات التبديل المرتفعة لـ GaN، هناك انخفاض في تموج التيار، مما يسمح بتقليل أبعاد المكونات السلبية وربما يؤدي إلى تصميمات محرك أكثر انسيابية.

يوضح الشكل 3 الرسم التخطيطي لتطبيق محرك كامل قائم على GaN والذي يتميز بأجهزة FET أحادية نصف جسر GaN المدمجة ذات الجهد المتوسط ​​من TI، ووحدة تحكم دقيقة C2000 في الوقت الفعلي، بالإضافة إلى مستشعرات درجة الحرارة والتيار والموضع (Hall).

EPC

أصبحت محركات BLDC، نظرًا لمزاياها مثل الكفاءة العالية والتصميم الأصغر حجمًا والأخف وزنًا، أكثر جاذبية في التطبيقات التي تكون فيها المساحة محدودة وتتطلب تشغيلًا متكررًا. في صناعة السيارات، هناك العديد من التطبيقات التي تستخدم فيها محركات BLDC، كما هو الحال في مجالات التحكم في الحركة وتحديد المواقع.

أدى الانتشار المتزايد لكهربة المركبات إلى الاعتماد على الطاقة الكهربائية في الوظائف التي كانت مدفوعة ميكانيكيًا سابقًا، بما في ذلك التوجيه المعزز وتشغيل ناقل الحركة وأنظمة تبريد المحرك. في هذا السياق، تمتلك GaN FETs وICs القدرة على تقليل أبعاد وكتلة محركات BLDC، وتقليل الضوضاء المسموعة، وتعزيز عزم الدوران لأوقات استجابة أسرع وزيادة الكفاءة لإطالة عمر البطارية.

يحتوي تحويل الطاقة الفعال (EPC) على مجموعة واسعة من eGaN FETs وICs التي تستهدف محركات BLDC، بالإضافة إلى تطبيقات المحركات الأخرى. على سبيل المثال، EPC9193، الموضح في الشكل 4، هو 40-A_{آر إم إس} لوحة تقييم عاكس محرك ثلاثي الطور مبنية حول EPC2619 eGaN FET. EPC2619 عبارة عن ترانزستور طاقة GaN بقدرة 100 فولت و4.2 متر أوم يوفر كفاءة عالية وتوصيل منخفض وخسائر في التبديل، بدون Q_ر.ر وأداء حراري ممتاز في مساحة أقل.

هناك نوعان مختلفان للوحة التقييم EPC9193. يستخدم التكوين القياسي EPC9193 FET واحدًا لكل موضع محول ويمكن أن يوفر بحد أقصى 30 أمبير_{آر إم إس}. يحتوي تصميم التيار العالي EPC9193HC على اثنين من FETs المتوازية لكل موضع مفتاح، مما يتيح أقصى تيار للإخراج يبلغ 60 أمبير_pk (40 أ_{آر إم إس}). يمكن تعديل اللوحة لتحويل عدة مراحل من DC إلى DC. يمكن أن يدعم EPC2619 سرعات تحويل PWM تصل إلى 250 كيلو هرتز لتطبيقات محرك المحرك و500 كيلو هرتز لتطبيقات DC/DC.

تم تجهيز EPC9193 بدوائر أساسية، مثل محركات البوابة، وقضبان الطاقة المساعدة التي يمكن التحكم فيها لمستلزمات التدبير المنزلي، واستشعار الجهد ودرجة الحرارة، والاستشعار الدقيق للتيار ووظائف الحماية، لدعم عاكس محرك المحرك الشامل.

تمثل GaN HEMTs تقدمًا كبيرًا في تطبيقات محركات السيارات نظرًا لكفاءتها الاستثنائية وأدائها واعتماديتها. تعمل أجهزة GaN HEMTs على تعزيز الابتكار في العديد من الصناعات نظرًا لخصائصها الاستثنائية، بما في ذلك الكفاءة العالية وكثافة الطاقة ومعدلات التبديل السريعة.

يتجسد دور GaN HEMTs في تحويل تكنولوجيا قيادة السيارات في التطبيقات العملية في السيارات الكهربائية والأتمتة الصناعية وأنظمة الطاقة المتجددة. أدت الحاجة المتزايدة لحلول قيادة المحركات التي تتميز بالكفاءة في استخدام الطاقة والأداء العالي إلى الاعتراف بـ GaN HEMTs كعامل حاسم في التأثير على مسار الدفع الكهربائي والأتمتة.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

مقالة GaN HEMTs في تطبيقات محرك السيارات: ثورة في الكفاءة والأداء ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

[ad_2]