طورت شركة Ideal Power حلاً مبتكرًا لمواجهة تحديات تحويل الطاقة من خلال ترانزستور الوصلات ثنائي القطب ثنائي الاتجاه (B-TRAN). يوفر مفتاح الطاقة الرباعي هذا أداءً استثنائيًا من خلال توفير انخفاض شديد الانخفاض في الجهد الأمامي وتقليل خسائر التبديل.
تلعب مفاتيح الطاقة شبه الموصلة دورًا مهمًا في تمكين التحويل الفعال والنظيف للطاقة في مجموعة متنوعة من التطبيقات. من السيارات الكهربائية إلى توليد الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة ، تعد هذه المكونات ضرورية لتحقيق كفاءة عالية وانبعاثات منخفضة في الانتقال إلى مستقبل أكثر اخضرارًا. ومع ذلك ، فإن مفاتيح الطاقة التقليدية لها قيود في تحقيق الأداء والكفاءة الأمثل.
قال دانيال بردار ، الرئيس التنفيذي لشركة Ideal Power ، خلال مقابلة مع Power Electronics News: “هدفنا هو تطوير نسخة من تقنيتنا مُحسَّنة للتبديل ثنائي الاتجاه بسرعات عالية ، باستخدام السيليكون وكربيد السيليكون لاحقًا”. مع أكثر من 70 براءة اختراع على مستوى العالم ، تقدم B-TRAN تقنية واعدة لتعزيز كفاءة وفعالية تطبيقات تحويل الطاقة.
بالمقارنة مع مفاتيح الطاقة التقليدية مثل SCRs و IGBTs و MOSFETs ، تقدم B-TRAN تحسينات كبيرة في الأداء. في الواقع ، أثناء اختبار السيليكون ، أظهر B-TRAN 0.6-VV فقطCE (في) عند تيار حمل 30-A ، مع قوة دفع تبلغ 8.4 واط فقط (1.2 فولت × 7 أمبير) ، مما ينتج عنه فقد إجمالي للطاقة يبلغ 26.4 واط ، وهو أقل بكثير من IGBTs. تُظهر هذه النتائج الإمكانات المذهلة لـ B-TRAN كمغير لقواعد اللعبة في تكنولوجيا تحويل الطاقة.
أوضح بردار تفرد B-TRAN: “عندما تفكر في مفتاح طاقة تقليدي من أشباه الموصلات ، فأنت تقوم بمعالجة الرقاقة على جانب واحد. نحن نعالج الرقاقة على كلا الجانبين ، لذلك لديك ميزات متطابقة على جانبي الرقاقة التي تتطلب محاذاة شديدة للغاية لتلك الميزات “.
هيكل الجهاز
يمكن اعتبار B-TRAN التطور النهائي لطبولوجيا أشباه موصلات الطاقة. تعتبر نقطة النهاية المنطقية لتطور طبولوجيا أشباه موصلات الطاقة نظرًا لمزيجها الفريد من الأداء والموثوقية والكفاءة.
في الشكل 1 ، لدينا مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية المصنوعة من السيليكون. الأول يسمى “مفتوح” ، وهو مصنوع من السيليكون النقي وغير مفيد لتوصيل الكهرباء ، ولكنه رائع للعزل. بعد ذلك ، لدينا مقاوم مصنوع من السيليكون المخدر يمكنه مقاومة تدفق التيار بسبب الشوائب المضافة ، إما من النوع N أو النوع P. يتكون الصمام الثنائي عن طريق إضافة طبقة مخدرة بشدة من مادة N على سطح واحد من المقاوم من النوع P ، مما يسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط. تجمع MOSFET بين وظائف المقاوم والصمام الثنائي ولديها مفتاح للاختيار بين الأوضاع. يشبه IGBT MOSFET ، ولكن مع طبقة منشطات إضافية لتغيير سلوكه.
أخيرًا ، B-TRAN عبارة عن ترانزستور تقاطع ثنائي القطب مزود بجهاز تحكم على كلا الجانبين لتحسين الأداء وثنائية الاتجاه المتأصلة. قال بردار: “من خلال دمج جميع الميزات في قالب واحد باستخدام جانبي الرقاقة ، يمكن إجراء مفتاح ثنائي الاتجاه دون استخدام أزواج من IGBTs والصمامات الثنائية مثل الدوائر ثنائية الاتجاه التقليدية”.
أداء B-TRAN
يعرض الشكل 2 رمز الدائرة والجهاز جنبًا إلى جنب مع خصائص التشغيل ثنائية الاتجاه. يمكن للجهاز ، مع مدخلي التحكم ، منع الجهد في كلا القطبين وتوصيل التيار في كلا الاتجاهين. هذا يجعلها مناسبة للتطبيقات ثنائية الاتجاه مثل محولات مصدر الجهد أو شواحن البطاريات ، بالإضافة إلى التطبيقات أحادية الاتجاه.
قال بردار: “إن طرح نسخة من التكنولوجيا هي في الحقيقة مفتاح ثنائي الاتجاه يستهدف التطبيقات التي تتطلب سرعات تحويل أسرع ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون استخدام كربيد السيليكون خيارًا”.
ومع ذلك ، لإنشاء مفتاح ثنائي الاتجاه ، يجب توصيل وحدتي MOSFET أو اثنين من IGBT بالإضافة إلى صمامين ثنائيين في تكوين مشترك ، مما يزيد بشكل كبير من عدد الأجزاء لمحولات الطاقة ثنائية الاتجاه.
سائق B-TRAN و DPT
يتم استخدام نظام اختبار النبض المزدوج (DPT) ، المصمم خصيصًا لاختبار أداء التحويل في B-TRAN. يتكون النظام من ثلاثة أقسام رئيسية: مصدر الطاقة والتحكم والسائق والجهاز قيد الاختبار. يظهر الرسم التخطيطي لكتلة نظام اختبار B-TRAN في الشكل 3 (أ). يُشار إلى المحطات العلوية والقاعدة باسم E1 و B1 ، في حين أن المحطات السفلية هي E2 و B2. يوضح الشكل 3 (ب) محرك B-TRAN ، الذي يتكون من B-TRAN ولوحة طاقة مطورة للاختبار.
لاختبار التبديل ثنائي الاتجاه ، يوضح الشكل 4 مخططات الدائرة للاتجاه الحالي المحدد. منخفضة- RDS (تشغيل) تُستخدم وحدات ترميز cascode MOSFET لقيادة B-TRAN كمفتاح إيقاف التشغيل عادةً مثل IGBT. يمكن لهذه الأجهزة أن تمنع الجهد العالي في حالة إيقاف التشغيل وتجري تيارًا عاليًا مع خسارة منخفضة في حالتها قيد التشغيل.
قال بردار: “خسائر التوصيل لدينا أقل من نصف أشباه الموصلات التقليدية”. “نحن في الواقع نقوم بتمكين تطبيقات مثل قاطع الدائرة الصلبة ، حيث تؤدي خسائر التوصيل حقًا إلى التصميم.” يتم توصيل المحث L1 والصمام الثنائي الاسترداد السريع D1 عبر المحرِّض كجزء من DPT.
توصيف B-TRAN
يتم إجراء القياسات الأولية لقوالب B-TRAN والأجهزة المعبأة باستخدام نظام اختبار Keithley عالي الطاقة. يتم قياس جهد الانهيار وتيار التسرب عن طريق زيادة الجهد عبر الجهاز أثناء مراقبة التيار. يتم قياس جهد الانهيار بمقدار 1،280 فولت ، ويتم قياس تيارات التسرب لتكون 25 µA عند 1000 فولت و 45 A عند 1200 فولت ، مما يؤكد معلمات أداء الحالة المستقرة الأساسية. تم قياس جهد تشبع الباعث والباعث وكسب التيار (β) على أنهما 0.6-0.8 فولت و 7 أمبير على التوالي.
خصائص الإخراج لثلاث قيم الخامسيكون موضحة في الشكل 5 ، مما يشير إلى علاقة خطية تقريبًا بين انخفاض الجهد الأمامي ، VE1E2 (تشغيل) والتيار الناتج (Iه 1) لكل V.يكون. عندما يتم حقن المزيد من التيار في القاعدة عن طريق زيادة Vيكون، يتم تقليل انخفاض الجهد الأمامي بشكل كبير. تسمح هذه الميزة بتعديل R.DS (تشغيل) عن طريق تغيير جهد باعث القاعدة. يتم الحصول على نفس خصائص الإخراج في الاتجاه المعاكس.
يوضح الشكل 6 أشكال موجة DPT عند 800 فولت / 14 أ. يتم إجراء اختبار التبديل ثنائي الاتجاه باستخدام نفس إعداد الاتصال كما هو موضح في الشكل 4 ، باستثناء أن الصمام الثنائي (D1) و Vالعاصمة يتم عكس الأقطاب لإظهار التدفق الحالي من محطات E2 إلى E1.
يوضح الشكل 7 أشكال الموجة مع وقت صعود تشغيل يبلغ 70 نانوثانية ووقت سقوط إيقاف يبلغ 400 نانوثانية. إشارة التحكم ، جهد الباعث والباعث ، تيار القاعدة وتيار المرسل موضحة على أنها 2 ، 1 ، 3 و 4 ، على التوالي.
تطبيقات B-TRAN
يعمل B-TRAN كمحول ثنائي الاتجاه قادر على إجراء تحويل مباشر للتيار المتردد / التيار المتردد. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب نقل طاقة ثنائي الاتجاه بين أنابيب التيار المتردد والحمل ، بما في ذلك المركبات الكهربائية وتوليد الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة وقواطع الدائرة الصلبة ومحركات المحركات.
“إذا كان بإمكانك تحسين نطاق السيارة ، وهو شيء يمكنك القيام به باستخدام B-TRAN ، ويمكنك الحصول على نطاق آخر بنسبة 8٪ إلى 10٪ من البطاريات ولكن يمكنك القيام بذلك دون التكلفة العالية لاستخدام كربيد السيليكون ، قال بردار: “إنها تربح في كلتا الحالتين”.
يوضح الشكل 8 نظام طاقة نموذجي للمركبات الكهربائية ، مع أشكال بيضاوية حمراء تشير إلى الاستخدامات المحتملة لـ B-TRAN.
يمكن أيضًا استخدام B-TRAN في أماكن أخرى متعددة ، مثل محركات المحركات وأنظمة UPS لمراكز البيانات والمصاعد وشواحن المركبات الكهربائية وتطبيقات الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وتحويل الطاقة للشبكات الذكية.
قال بردار: “لقد رأينا الكثير من الاهتمام من مختلف الصناعات والشركات المختلفة التي ترغب في استخدام تقنيتنا في تطبيقات مختلفة”. “أحد الأشياء الكبيرة التي نريد القيام بها هو التأكد حقًا من أن المنتج في متناول أكبر عدد ممكن من التطبيقات.”
تقدم B-TRAN طوبولوجيا جديدة لأشباه موصلات الطاقة تتسم بالبساطة والمبتكرة. فهو يجمع بين مزايا التبديل السريع منخفض الخسارة لدوائر MOSFET ؛ كثافة التيار العالي IGBTs ؛ وانخفاض الجهد الأمامي المنخفض BJTs. قال بردار: “انتهى بنا الأمر باستبدال مجموعة من أربعة أجهزة بجهاز واحد ، ولديه حوالي نصف خسائر النهج التقليدي ونحو ربع الخسائر إذا فكرت في الأمر في وضع ثنائي الاتجاه”.
علاوة على ذلك ، تتيح ثنائية الاتجاه الفريدة لـ B-TRAN استخدامها في طبولوجيا محول AC-link ، مما يوفر مزايا كبيرة من حيث الكفاءة واقتصاديات النظام لمجموعة واسعة من تطبيقات محول الطاقة ، بما في ذلك المحولات الكهروضوئية ومحولات الرياح ومحركات المحركات متغيرة التردد و محركات الجر السيارة المكهربة.
تُظهر B-TRAN أداءً ثنائي الاتجاه متماثلًا ، مما يوفر جهدًا للانهيار يتجاوز 1200 فولت وانخفاض الجهد على الحالة بمقدار 0.6 فولت عند تيارات عالية تصل إلى 30 ألفًا. انخفاض خسائر التوصيل والتبديل. تم تطوير حزمة TO-264 المتخصصة مع قدرة التبريد على الوجهين لـ B-TRAN ، وتم تحسين المحرك ثنائي الاتجاه للتبديل والتحكم في التوصيل الحالي في كلا الاتجاهين.
قال بردار: “ما نستخدمه هو التبريد على الوجهين لأنه جهاز ذو وجهين”. “وبما أنك تولد بشكل أكثر كفاءة ، فأنت في الواقع تولد حرارة أقل في البداية ، وكما تعلم ، فإن الحرارة هي القاتل للإلكترونيات. لذا ، إذا كنت تولد حرارة أقل لتبدأ ، وكنت تستخدم التبريد على الوجهين ، والذي يوفر تبريدًا موحدًا للغاية ، فيمكن أن ينتهي بك الأمر بجهاز يمكن أن يعمل بكفاءة عالية وبارد. “
قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
