معماريات DSC لوحدات طاقة محرك الجر

تستند هذه المقالة إلى عرض قدمه البروفيسور هـ. آلان منتوح¹ في مؤتمر APEC 2023 الأخير ، يركز على بنية وحدات طاقة DSC المتكاملة لتطبيقات محرك الجر. محركات الجر مطلوبة في العديد من التطبيقات التي تتضمن سياقات وصناعات مختلفة. وتشمل هذه المركبات الكهربائية والهجينة (EV ، HEV) والقطارات والقاطرات والمصاعد والسلالم المتحركة والآلات الصناعية مثل الرافعات والمركبات الثقيلة.

تشمل المتطلبات الأكثر صلة بتطبيقات محرك الجر الكفاءة العالية وكثافة الطاقة العالية والموثوقية العالية والضوضاء المنخفضة والصيانة المنخفضة. تتطلب تطبيقات محرك الجر عادةً ما يلي:

• كثافة طاقة عالية للنظام
• الأمان والموثوقية العالية في البيئات القاسية
• عمر عالي
• التصنيف الحالي العالي
• قدرة عالية على التحكم في السرعة وعزم الدوران
• استجابة دقيقة وسريعة لإشارات الإدخال
• القدرة على العمل في نطاق واسع من ظروف التشغيل.

بالإضافة إلى ذلك ، قد تكون الاعتبارات مثل الحجم والوزن والتكلفة عوامل مهمة تؤثر على اختيار نوع محرك جر معين.

وحدات الطاقة DSC

تعد وحدات الطاقة المبردة على الوجهين (DSC) مناسبة لتطبيقات كثافة الطاقة العالية مثل محركات الجر في المركبات الكهربائية والقطارات والتطبيقات الصناعية. على عكس وحدات الطاقة التقليدية التي تحتوي على تبريد من جانب واحد فقط ، فإن وحدات الطاقة DSC لها تبريد في كلا الجانبين العلوي والسفلي للوحدة. تظهر وحدة الطاقة أحادية الجانب على يسار الشكل 1 ، بينما يظهر الحل باستخدام وحدة طاقة DSC على اليمين.

يسمح هذا التبريد على الوجهين بأداء حراري أفضل ، مما يتيح زيادة كثافة الطاقة والكفاءة. عادةً ما تستخدم وحدات طاقة DSC لوحة نحاسية على كل جانب من جوانب الوحدة للتبريد ، وقد تحتوي أيضًا على ميزات إضافية مثل الثنائيات استشعار درجة الحرارة و IGBTs الحالية.

تعرض الوحدات المبردة أحادية الجانب بعض القيود ، بما في ذلك:

• الحث الطفيلي العالي (15-20 nH)
• مقاومة حرارية عالية (0.1-0.8 ك / ث)
• روابط الأسلاك كنمط فشل رئيسي.

يمكن حل هذه المشكلات باستخدام وحدات الطاقة المستندة إلى DSC والتي تتميز بما يلي:

• المحاثات الطفيلية الكهربائية المنخفضة (أقل من 10 nH)
• تقليل المقاومة الحرارية بنسبة تصل إلى 50٪
• سلك غير مقيد ، أكثر موثوقية
• عمر أطول (حسب المقدار)
• زيادة القدرة الحالية وزيادة كثافة الطاقة.

على مر السنين ، طورت جامعة أركنساس وحدات طاقة DSC مع بنى مختلفة ، من حزمة وحدة الطاقة عالية الجهد المتصلة مباشرة باللحام (2012) إلى وحدة الطاقة المكدسة متعددة الطبقات LTCC (2020).

الحل المقترح

الحل الذي اقترحته مجموعة UA Power Group لتطبيق محرك الجر هو وحدة طاقة متكاملة DSC بكثافة طاقة مستهدفة تبلغ 100 كيلو واط / لتر.

يتميز التصميم المقترح ، الذي يظهر منظره المتفجر في الشكل 2 ، بالخصائص التالية:

• تصميم الرواية:
  • كتل اتصال هرمية أو عمودية 45 درجة ، توفر أقصى مسار لتبديد الحرارة
  • المتداخل القائم على LTCC. يوفر هذا الحل عزلًا كهربائيًا وقوة ميكانيكية ، مما يسهل محاذاة الركائز العلوية والسفلية
  • محطة طاقة تيار متردد قائمة على LTCC / PCB تسهل الاستشعار الحالي
• تقنيات موثوقة:
• الميزات المتكاملة:
  • برنامج تشغيل البوابة المستندة إلى SOI أو SiC
  • GMR أو مستشعر تأثير القاعة الحالي
  • جهاز استشعار درجة الحرارة

يتكون الجانب السفلي من مستوى 50 ميكرومتر من المعدن النحاسي ملحومًا بالركيزة DBC. يوفر الجانب العلوي وسادات معدنية للحام حزمة SOIC-8 وآثار التوصيل إلى السندات السلكية لثنائي الفينيل متعدد الكلور. يساعد إدخال مكثفات الفصل (انظر الشكل 2) في تقليل محاثة حلقة الطاقة بشكل كبير (1.5nH ، مقابل محاثة 11nH للتصميم بدون مكثفات). علاوة على ذلك ، يتم تقليل الجهد الزائد عند 800 فولت ، 160 أمبير بنسبة 65٪ (60 فولت مقابل 110 فولت) ويوجد إجهاد أقل للجهاز ، مما يؤدي إلى تصميم أكثر موثوقية.

يمكن بناء محرك البوابة على عملية CMOS من السيليكون على عازل (SOI) 180 نانومتر من XFAB والتي تتميز بميزات حماية النظام مثل تثبيت ميلر النشط ، واكتشاف التيار الزائد ، وإغلاق الجهد المنخفض. إلى جانب محاثة حلقة البوابة المنخفضة للغاية (أقل من 10 نيوتن هرتز) ، يعرض سائق البوابة منطقة صغيرة لقالب محرك البوابة تبلغ حوالي 3.14 مم × 3.14 مم. بالنسبة لوحدات الطاقة ذات درجة الحرارة العالية (حتى 175 درجة مئوية) ، يمكن دمج محرك بوابة يعتمد على كربيد السيليكون (SiC). لذلك يتوفر خياران لبرنامج تشغيل البوابة: SOI أو SiC.

يمكن تنفيذ المستشعر الحالي من خلال مستشعر تيار GMR (يوضع أعلى الموصل الحامل الحالي) أو مستشعر تيار تأثير القاعة (يوضع بجوار الموصل الحامل الحالي). في كلتا الحالتين ، يجب وضع المستشعر على ركيزة التبديل السفلية لوحدة الطاقة (إمكانية التيار المتردد). يساعد PCB على توجيه إشارات الإدخال / الإخراج من طرف التيار المتردد.

يوجد أيضًا على قاعدة المفتاح السفلية مستشعر درجة حرارة NTC ، والذي يجب أن يكون قريبًا جدًا من أجهزة الطاقة. يقوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور بتوجيه سائق البوابة ودائرة الاستشعار الحالية ودبابيس مستشعر درجة الحرارة إلى طرف الإدخال / الإخراج على لوحة تشغيل بوابة المفتاح العلوي (انظر الشكل 2). أظهرت عمليات محاكاة الكثافة الحالية أن أقصى كثافة للتيار داخل وحول محطة التيار المتردد يتم تحقيقها عن طريق وضع مستشعر التيار على طرف التيار المتردد.

تم إجراء محاكاة حرارية كاملة ، تم إجراؤها باستخدام برنامج المحاكاة الحرارية SolidWorks ، وفقًا للتصميم المقترح. تضمنت مجموعات التلامس النموذجية معجون التلبيد الفضي المرفق (TC = 60 W / mK ، 50 ميكرومتر) ومواد الواجهة الحرارية (TC = 9.6 W / mK ، 0.5 مم) ، في حين أن المقاومة الحرارية للوصل إلى المحيط (K / W) كان 0.06 ك / وات.

كانت شروط الحدود المطبقة على النحو التالي:

• كفاءة الحمل الحراري: 10000 واط / م²ك
• درجة الحرارة المحيطة: 65 درجة مئوية
• خسارة الطاقة المقدرة لكل قالب: 120 وات.

من خلال دمج ست وحدات طاقة مقترحة في عاكس ثنائي المستوى ثلاثي الأطوار بقدرة 200 كيلو وات مع محرك جر PM في أنظمة EV ، تم تحقيق كثافة طاقة للنظام الحجمي (PD) تبلغ 100 كيلو واط / لتر. هذه القيمة أفضل بكثير من PD الحجمي الحديث لمحرك الجر مع وحدات طاقة DSC (حوالي 30 كيلو واط / لتر).

خاتمة

زادت بنية وحدة الطاقة DSC ذات الأجزاء المتكاملة غير المتجانسة (مكثفات الفصل ، وأجهزة استشعار التيار ودرجة الحرارة ، ومحرك البوابة) بنسبة 2.5 ٪ من كثافة طاقة النظام لنظام 200 كيلو واط.

تشمل مزايا بنية الوحدة المتكاملة ما يلي:

• محاثة حلقة بوابة منخفضة (أقل من 10 نيوتن إتش) مع شريحة سائق بوابة محمية داخل الوحدة
• إجهاد أقل للجهاز بسبب انخفاض الجهد الزائد (~ 65٪) بمكثفات الفصل
• استشعار درجة الحرارة المتكامل
• استشعار التيار المتكامل.

مراجع

¹ألان مانتوث ، “أبنية وحدة الطاقة لتطبيقات محركات الجر” ، جامعة أركنساس – باور جروب.