تصميم مصادر الطاقة المساعدة للمركبات الكهربائية باستخدام وحدات GaN المرحلية الذكية المدمجة

يعد مصدر الطاقة الإضافي، والذي يشار إليه بوحدة الطاقة المساعدة (APM)، عنصرًا أساسيًا في السيارات الكهربائية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في نقل الطاقة بكفاءة من بطارية الجر إلى الأحمال الكهربائية ذات الجهد المنخفض والبطارية 12 فولت.

مع التطور المستمر لقطاع السيارات الكهربائية، يواجه تصميم الألغام المضادة للأفراد تحديات أكثر تطلبًا. تتضمن هذه المشكلات الحاجة إلى معدلات طاقة أكبر، ونطاقات جهد أوسع، وموثوقية معززة، وزيادة كثافة الطاقة، كل ذلك مع الحفاظ على التشغيل الفعال.

تتناول هذه المقالة محول flyback المعزول من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض استنادًا إلى IC نيتريد الغاليوم الذكي. تم تصميم المحول ليكون بمثابة مصدر طاقة إضافي للمركبات الكهربائية. والغرض من ذلك هو ضمان إمداد جهد ثابت (حوالي 15-18 فولت) للمكونات المهمة للسلامة في السيارة، وخاصة عاكس الجر، في حالة حدوث عطل في مصدر الطاقة الأساسي. المعلومات المقدمة في هذه المقالة مستمدة من محاضرة ألقيت في مؤتمر APEC 2024 في فبراير.

جاليون الذكية

تؤدي الزيادة الكبيرة في سوق السيارات العالمية إلى زيادة الطلب على المكونات الإلكترونية المتقدمة. وهذا يتطلب تطوير حلول الأنظمة الذكية المتكاملة للغاية. توفر تقنية GaN، بوظائفها الذكية والمتكاملة، حلاً مقنعًا. والجدير بالذكر أن GaN يُظهر سلوك تحويل فائقًا ضمن مجال التردد العالي، مما يجعله مناسبًا بشكل مثالي للمشهد المتطور لصناعة السيارات الكهربائية. يعد تكامل حلول GaN بتمهيد الطريق لجيل جديد من السيارات الكهربائية الذكية والفعالة والمستقبلية.

تجمع تقنية GaN الذكية المتكاملة بين مرحلة الطاقة المتجانسة ودوائر القيادة والتحكم، مما يوفر مزايا كبيرة لتطبيقات إلكترونيات الطاقة الحديثة. يعزز هذا النهج المبتكر تصميمًا مضغوطًا عن طريق تقليل الحث الطفيلي، مما يؤدي إلى زيادة المتانة وتعزيز موثوقية النظام.

علاوة على ذلك، توفر شبكة GaN الذكية المدمجة فوائد عالية الأداء. إن قدرتها على العمل بترددات عالية تترجم إلى انخفاض التداخل الكهرومغناطيسي وتحسين التبديد الحراري. تعمل هذه المزايا المجمعة على وضع GaN الذكي المدمج كتقنية رائدة للجيل القادم من أنظمة إلكترونيات الطاقة.

إن GaN IC الذكي المستخدم في التصميم عبارة عن مرحلة طاقة eGaN بقدرة 650 فولت مع محرك وحماية في حزمة QFN. الخصائص التقنية الرئيسية للIC هي:

• الحد الأقصى لجهد التصريف إلى المصدر (V_{دي ماكس}): 650 فولت
• نطاق تشغيل جهد الإمداد (V_نسخة): 18-36 فولت
• نطاق تشغيل إمداد الجهد العالي (V_إمداد): 20-650 فولت
• المقاومة النموذجية (R_{DS (على)}): 190/410 مΩ

تتضمن الشريحة، التي يظهر مخططها الداخلي ودبابيسها في الشكل 1، ميزات مثل التحكم في الوضع الحالي، والبدء الناعم القابل للتعديل، وتشغيل dV/dt، وقدرة التبديل السريع حتى 500 كيلو هرتز. لتقليل حجم اللوحة وزيادة كثافة الطاقة، تم اختيار تردد تحويل محدد يتراوح بين 230-250 كيلو هرتز كمعدل تخفيف اسمي.

يشتمل GaN IC الذكي على مجموعة من ميزات الحماية المتكاملة المصممة لتعزيز موثوقية النظام وضمان التشغيل الآمن. تشمل هذه الميزات:

• الحماية من درجة الحرارة الزائدة: تعمل هذه الحماية على إيقاف تشغيل النظام تلقائيًا عندما يصل إلى درجات حرارة تشغيل غير آمنة، مما يمنع الانفلات الحراري والضرر المحتمل.
• حدود التيار الزائد: تحد هذه الحماية من تدفق التيار داخل النظام، مما يوفر الحماية ضد الأحمال الحالية الزائدة التي قد تؤدي إلى فشل المكونات.
• الحماية من الحمل الزائد للمخرج من خلال وضع الفواق: في حالة وجود حمل زائد للمخرج، يدخل النظام في “وضع الفواق”، حيث يتم تشغيله وإيقافه بمعدل يتم التحكم فيه حتى يتم حل حالة التحميل الزائد. وهذا يحمي النظام من التلف بينما يسمح بالاسترداد التلقائي في ظل ظروف التشغيل العادية.
• حماية الجهد الزائد للإخراج مع وضع الاندفاع: تحمي هذه الميزة من ارتفاع الجهد الذي يتجاوز حدود الإخراج المحددة. في مثل هذه الحالات، يدخل النظام في “وضع الاندفاع”، مما يوفر دفعات قصيرة من الطاقة للحفاظ على الأداء الوظيفي مع منع الضرر الناتج عن أحداث الجهد الزائد.
• الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD): تعمل هذه الحماية المتكاملة على حماية النظام من التفريغ الكهروستاتيكي، وهو سبب شائع لتلف المكونات الإلكترونية.

وحة عرض

ويبين الشكل 2 لوحة عرض التطبيق المجمعة. بالقرب من GaN IC الذكي في حزمة QFN (U1)، يمكننا رؤية الشبكة المنفعلة (C5 وR4) لاختيار التردد. على الجانب الثانوي من محول flyback توجد شبكة التثبيت، المكونة من R9 وC6 وD3. تشتمل دائرة التغذية المرتدة على optocoupler (U2) ومرجع جهد تحويلي قابل للتعديل (D1). T1 هو محول flyback Würth Elektronik 750343808.

بالنسبة لثنائي الفينيل متعدد الكلور، تم اختيار مجموعة من أربع طبقات بالهيكل التالي:

• الطبقة 1: مسار الطاقة الرئيسي
• الطبقة الثانية: أرض الطاقة
• الطبقة 3: أرض الإشارة
• الطبقة 4: حلقة ردود الفعل

قياسات الأداء

تم قياس أداء اللوحة التجريبية من خلال التطبيق الخامس_في = 400 فولت جهد الإدخال و F_{جنوب غرب} = تردد التبديل 230 كيلو هرتز، بالإضافة إلى معلمات أخرى حسب الاختبار المحدد، كما هو موضح أدناه. الجهد الناتج المستهدف هو الخامس_خارج = 15 فولت.

وضع الاندفاع وتبديل DCM

تم الحصول على الأشكال الموجية لتبديل وضع الاندفاع باستخدام أنا_خارج = 0.05 A، موضحة في الشكل 3. تُظهر هذه الأشكال الموجية عملية وضع الاندفاع عند تيار حمل خفيف يصل إلى 0.4 درجة عند بدء التشغيل العادي.

تم الحصول على أشكال موجة التبديل في وضع التوصيل المتقطع (DCM) باستخدام أنا_خارج = 1°، موضحة في الشكل 4. تذبذبات جهد الصرف إلى المصدر (V_س) ويتم إنشاء هضبة الجهد الإضافي بواسطة محاثة مغنطة المحولات والجهد المنعكس.

في وضع التوصيل المستمر (CCM)، تم قياس متوسط ​​تبديد الطاقة الإجمالي للمحول (التبديل والتوصيل) عند 2.2 واط، مع زمن سقوط قدره 5.6 نانوثانية و أنا_خارج = 4.5 أمبير. يعمل الجهاز في وضع CCM، ويمكنه توفير طاقة خرج تصل إلى 68 وات، مما يضمن كفاءة بنسبة 87.23%.

مع اختلافات الحمل الديناميكي (I_خارج تتراوح من 1 إلى 3 أمبير)، يحافظ المحول على ثبات جيد. لتيارات الحمل الأصغر (I_خارج تتراوح من 0.05 إلى 1 أمبير)، لم يتم قياس أي اختلاف ملموس في مستوى جهد خرج المحول (حوالي 450 مللي فولت).

في ظروف التحميل المفتوح (أنا_خارج = 0 A)، تم قياس دبوس طاقة الإدخال عند 600 ميجاوات. لتوليد V المطلوبة_نسخة الجهد ، تم استخدام اللف الثالث للمحول.

تم اختبار ميزة الحماية من درجة الحرارة الزائدة عن طريق تسخين الجهاز خارجيًا. بعد ذلك، يتم منع عملية التبديل عند 175 درجة مئوية بسبب اكتشاف OTP ويتم تمكينها مرة أخرى عندما تنخفض درجة الحرارة.

وبالمثل، من خلال تطبيق دائرة قصر على الخرج، توقف حماية OVLD عملية التبديل، والتي يتم استئنافها عند إزالة القصر.

يعمل التكامل الذكي على تبسيط تعقيدات تطبيقات السيارات، مما يضمن حلولاً فعالة من حيث التكلفة وعالية الأداء. يعمل الجمع بسلاسة بين المكونات مثل محول DC/DC على تحسين الكفاءة في البيئات عالية التردد والجهد العالي، مما يقلل من خسائر التبديل.

تعد السلامة أمرًا بالغ الأهمية، حيث تعمل الحماية من التيار الزائد ودرجة الحرارة على تعزيز موثوقية تصميم التطبيق. علاوة على ذلك، تضمن ميزات مثل التشغيل الناعم والحماية من التحميل الزائد الاختيار المناسب لإمدادات الطاقة في حالات الطوارئ، مما يؤكد الدور الحاسم للتكامل الذكي في ابتكار السيارات.

مرجع

¹سكريميزي وآخرون. (2024). (2024). “Smart GaN IC المتكامل لإمدادات الطاقة المساعدة في تطبيقات السيارات.” STMicroelectronics، مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

ظهر المنشور تصميم مصادر الطاقة المساعدة للمركبات الكهربائية باستخدام وحدات GaN المتكاملة الذكية للمرة الأولى على Power Electronics News.