تعتمد تقنية مجموعة نقل الحركة في السيارة الكهربائية (EV) بشكل متزايد على الإمداد المستمر بأشباه الموصلات عالية الجودة من كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN). اختارت ماكلارين أبلايد STMicroelectronics (ST) كمورد مهم لوحدات الطاقة من كربيد السيليكون (SiC) من أجل الجيل التالي من العاكس IPG5 800V. وفقًا لـ McLaren Applied ، بحجم 3.88 لتر ووزن 5.5 كجم فقط ، يمكن لـ IPG5 توسيع نطاق EV بنسبة تزيد عن 7٪ مقارنة بمحولات IGBT. يقدم IPG5 ترددات تحويل متغيرة تصل إلى 32 كيلو هرتز. تستفيد IPG5 من McLaren Applied من وحدة الطاقة ST ACEPACK DRIVE القائمة على تقنية الجيل الثالث 1200 فولت SiC MOSFET.
يمكن أن يوفر عاكس كربيد السيليكون من الجيل التالي IPG5 800V محركات كهربائية تبلغ ذروة 400 كيلو وات و 250 كيلو وات من الطاقة المستمرة. يعمل بشكل فعال مع المحركات عالية السرعة في تطبيقات السيارات ، بما في ذلك القيادة المباشرة ، ويتوافق مع متطلبات ISO 26262 ASIL-D. في الأشهر الستة الماضية ، أنهت شركة McLaren Applied صفقات توليد القوة مع شركة تصنيع السيارات الرياضية الهجينة الأمريكية Czinger وخبراء المحركات الداخلية Elaphe لتقديم عاكس IPG5 الخاص بها ، مع عدد كبير من سيارات EV متوسطة وعالية الحجم من المقرر الكشف عنها قريبًا. .
في مقابلة مع Power Electronics News ، قال ستيفن لامبرت ، رئيس قسم الكهربة في McLaren Applied ، إن الكثير من التركيز على البحث والتطوير في مجال السيارات الكهربائية خلال السنوات القليلة الماضية كان على تحسين الأداء و / أو تقليل تكلفة أنظمة البطاريات ، وبحق لذلك كان هذا عائقا أمام الدخول حتى الآن.
“العاكس هو جزء غالبًا ما يتم تجاهله من مجموعة نقل الحركة EV ، ولكن كجهاز يحول طاقة التيار المستمر المخزنة في البطارية إلى طاقة التيار المتردد المستخدمة في المحركات الكهربائية ، فهو ضروري لتشغيل السيارة وتحسينها. عند النظر إلى جميع أجزاء نظام الدفع ، فإن العاكس يؤثر بشكل كبير على الكفاءة (يؤثر بشكل مباشر على النطاق ، ووقت الشحن ، وما إلى ذلك). سيحدد أيضًا إحساس السيارة وطابعها ، حيث إن العاكس هو الذي يتحكم في المحرك الذي يدفع السيارة. لذلك ، نعتقد أن تقنية العاكس ستعتمد بسرعة على أشباه موصلات كربيد السيليكون (SiC) ، لا سيما في أبنية 800 فولت والمركبات التي تحتاج إلى مدى أطول وشحن سريع ، حيث تعد إلكترونيات الطاقة الفعالة أمرًا أساسيًا “.
يرى فريق السيارات في شركة ماكلارين أبلايد أن الكفاءة هي الدافع وراء “الموجة” الثالثة من السيارات الكهربائية. تتألف الموجة الأولى من رواد تقنيين في وقت مبكر ، في حين أن الإدخال الواسع النطاق الأخير للسيارات الكهربائية كان بمثابة الثانية. المستوى الثالث ، الكفاءة ، سيشمل استخدام أشباه الموصلات SiC في تكنولوجيا العاكس ، لا سيما في السيارات التي تتطلب نطاقًا أكبر وشحنًا أسرع – وهما مجالان حيث تعد إلكترونيات الطاقة الفعالة أمرًا بالغ الأهمية.
ابتكار
الابتكار جزء لا يتجزأ من تطوير تقنيات السيارات الكهربائية الجديدة. وفقًا لامبرت ، عززت ثلاثة عقود من العدّ في الفورمولا 1 وغيرها من رياضات السيارات من الدرجة الأولى ، دافعًا رائعًا للابتكار داخل تطبيق ماكلارين.
“من خلال توظيف الأفضل والأذكى فقط ، سواء كان ذلك مباشرة من الجامعة أو من مجموعة واسعة من المجالات الحالية ، فإننا نضمن أن تظل الرغبة في مواصلة دفع الظرف متأصلة في العمل. يعد التعاون أيضًا مهمًا للغاية وشكل جزءًا من تاريخنا. بالإضافة إلى مشروع ESCAPE ، بالنظر إلى سلسلة التوريد SiC في المملكة المتحدة ، لدينا مشروع يسمى SCIENZE ، والذي يجعلنا نعمل مع متعاونين في الصناعة والجامعات لتطوير تقنيات تجميع مؤتمتة بالكامل لمنتجاتنا العاكس ، “قال لامبرت.
كربيد السيليكون
كان السيليكون مادة أشباه الموصلات المفضلة للأجهزة المستخدمة في محولات الطاقة الإلكترونية في جميع أنحاء العالم لفترة طويلة من الوقت. ومع ذلك ، قدم إدخال كربيد السيليكون في عام 1991 خيارًا لتقليل الاعتماد على السيليكون. تشتمل أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WBG) على SiC: بالمقارنة مع الأجهزة القائمة على Si العادية ، تكون الطاقة المطلوبة لدفع الإلكترون إلى نطاق التوصيل أكبر. يوفر هذا النطاق الواسع العديد من المزايا.
مع تيار تسرب أصغر وفجوة نطاق أكبر ، قد يعمل الجهاز عبر نطاق درجة حرارة أوسع دون أن يفشل أو يفقد الكفاءة. إنه خامل كيميائيًا ، مما يساهم في زيادة استخدام SiC في إلكترونيات الطاقة. بالنسبة إلى لامبرت ، ليس هناك شك في أن اعتماد المركبات الكهربائية سيستمر على قدم وساق ، ليس فقط بسبب الإنهاء القسري لإنتاج محرك الاحتراق الداخلي ، ولكن نظرًا لإمكاناته الكاملة ، فإن النقل الكهربائي يعد وسيلة أرخص بكثير وأكثر سلاسة وأسهل بالنسبة لمعظم الناس.
تُستخدم أجهزة SiC على نطاق واسع في قطاع السيارات ، لا سيما في إنتاج السيارات الكهربائية والمركبات الهجينة الموصولة بالكهرباء. يجب أن تزيد أنظمة الطاقة للجيل المستقبلي من السيارات الكهربائية من كفاءة السيارة (مما يؤدي إلى زيادة النطاق) وسرعة إعادة شحن البطارية.
تعد محولات SiC جزءًا لا يتجزأ من حل هذه المشكلات. مقارنة بكفاءة العاكس التقليدي بنسبة 97٪ إلى 98٪ في نقل الطاقة من البطارية إلى المحرك ، يمكن أن يصل العاكس المعتمد على SiC إلى كفاءة تصل إلى 99٪. من الضروري التأكيد على كيفية تأثير تحسين منزلة واحدة أو عشريتين في الاقتصاد في استهلاك الوقود على السيارة بشكل كبير.
“عندما تبدأ في التركيز على الكفاءة ، على سبيل المثال ، تحصل على مزايا معينة ، مثل الحاجة إلى سعة بطارية أقل لنطاق معين ، ووقت شحن أقل لنطاق معين ، وتقليل احتياجات نظام التبريد. ينتج عن ذلك مجموعة قيادة أصغر حجمًا وأخف وزنًا ، والتي تتطلب طاقة أقل لدفعها للأمام وتقليل الطاقة ، مما يقلل من متطلبات الطاقة ويزيد من كفاءة السيارة. هناك عنصر آخر يجب مراعاته وهو أن مصنعي المعدات الأصلية سيصنعون سيارات كهربائية تتوافق مع روح علامتهم التجارية وتجربة السائق التي يرغبون في تقديمها. تساعد تطبيق McLaren Applied مصنعي المعدات الأصلية على تحقيق ذلك من خلال تمكين إمكانية التحكم من خلال أجهزتها وبرامجها لتقديم تجربة السائق الأنسب للعلامة التجارية ونوع السيارة. تتيح القدرة على التحكم في نظام الدفع بشكل أكثر حساسية لمصنعي المعدات الأصلية بدء برمجة خصائص مختلفة في سياراتهم. وبهذا ، يمكنهم تقديم الشخصية التي يقول البعض إنها تفتقر إليها المركبات الكهربائية وهي ضرورية للتنافس مع تجربة سائق سيارات ICE اليوم “، قال لامبرت.
نظرًا لأن GaN يحتوي على شحنة بوابة وإخراج أقل من جهاز مكافئ قائم على SiC ، فإنه يمكن أن يوفر أوقات تشغيل أسرع ومعدلات كبيرة مع خسائر منخفضة. بالنسبة لعاكس الجر الكهربائي ، يمكن تقليل التوصيل والتبديل ، مما يسمح لك بالقيادة لمسافة أطول أو تمكين بطاريات أصغر.
“هناك بعض المدافعين عن GaN لاستخدامها في العواكس ، وهناك بعض الأسباب الوجيهة وراء ذلك. ومع ذلك ، فإننا نكافح لنرى أنه أصبح حقيقة سائدة لعدة أسباب. أحد الأسباب الرئيسية هو أن GaN يقتصر عادةً على 650 فولت. نظرًا لأن المركبات الكهربائية تنتقل إلى 800 فولت للمساعدة في الشحن السريع ، فإنها تحتاج إلى هيكل متعدد الطبقات ، مما سيضيف التكلفة مرة أخرى. ناهيك عن أن إحدى مزايا GaN هي القدرة على التبديل بسرعة كبيرة ، وهو أمر غير مطلوب لتطبيقات المحركات وقد يكون أكثر قابلية للتطبيق على محولات DC / DC أو أجهزة الشحن على متن الطائرة ، “قال لامبرت.
يعتقد لامبرت أن السوق بحاجة إلى تأمين إمداد شامل للمواد والأجزاء لدعم تصنيع إلكترونيات الطاقة في المملكة المتحدة وقيادة كهربة المركبات.
“هناك الكثير من الشركات العظيمة التي تعمل في هذا المجال في المملكة المتحدة ، ولكن حاليًا لا توجد سلسلة توريد شاملة لأشباه موصلات الطاقة القائمة على كربيد السيليكون (SiC) في المملكة المتحدة ، وهذه مشكلة. يشكل الافتقار إلى سلسلة إمداد متكاملة رأسياً لهذه أشباه الموصلات عقبة خطيرة أمام طموح المملكة المتحدة في أن تكون رائدة في مجال الكهربة. قال لامبرت: “يمكننا أن نبقى في طليعة تكنولوجيا السيارات الكهربائية ، لكننا بحاجة إلى بناء القدرة التصنيعية لاغتنام الفرص المستقبلية بأكبر قدر ممكن من الحزم”.
لا يجب أن تكون السيارات الكهربائية ذات المدى الطويل هي المعيار فحسب ، بل يجب أن تكون البطاريات أيضًا أقل تكلفة ويتم شحنها بسرعة أكبر إذا أردنا أن تكون كل مركبة على الطريق كهربائية. تتحول الصناعة إلى كربيد السيليكون (SiC) لإلكترونيات الطاقة حيث يقترب السيليكون من حدوده النظرية بسبب فجوة النطاق الكبيرة ، والحقل الكهربائي الأقوى ، والتوصيل الحراري العالي. مقارنة بالمكونات القائمة على السيليكون ، تحقق الدوائر الترانزستورية الفلورية الفلورية القائمة على SiC خسائر أقل وترددات تحويل أكبر وكثافة طاقة أعلى.
تساهم الرابطة الفيزيائية القوية لـ SiC في استقرارها الميكانيكي والكيميائي والحراري. ومع ذلك ، فإن صنع رقائق SiC هو إجراء صعب. ليست كل رقاقة مناسبة للمنتجات النهائية مثل الثنائيات و MOSFETs.
لذلك ، حتى في الوقت الذي تبذل فيه الصناعة جهودًا كبيرة للوصول إلى قطر يبلغ 200 مم ، هناك الكثير من التركيز على تحسين التكنولوجيا وتحسينها لرقائق بحجم 150 مم.
حتى إذا كانت هناك تحديات معينة لا يزال يتعين حلها قبل أن تصبح رقائق 200 ملم هي القاعدة ، فقد انتقلت الصناعة بالفعل إلى رقاقات SiC ذات القطر الأكبر. تعتبر رقائق SiC بطبيعتها أكثر صعوبة في الإنتاج من رقاقات السيليكون من نفس الحجم.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
