اعتمد الاعتماد الواسع النطاق للسيارات الكهربائية إلى حد كبير على زيادة نطاقها العملي بنجاح خارج حدود القيادة في المدينة. تم تحقيق ذلك من خلال زيادة سعة حزمة البطارية بشكل مطرد إلى جانب كفاءة إلكترونيات الطاقة المرتبطة. في موازاة ذلك ، طالب المستهلكون بدورات شحن أقصر وطرق شحن أكثر ملاءمة ضمن شبكة واسعة من المواقع المادية. هذان الاتجاهان في منافسة مباشرة وقد حفزا في النهاية تقدم محطات شحن المركبات الكهربائية نفسها.
كما هو مبين في الشكل 1 ، زادت سعة البطارية بأكثر من الضعف في السنوات الخمس الماضية ، وتضاعفت سعة طاقة محطة الشحن ثلاث مرات تقريبًا. أصبح هذا ممكنًا بفضل القفزات التكنولوجية في الكيمياء والبناء على جانب البطارية وبواسطة طوبولوجيا الدائرة والمكونات على جانب الشاحن.
تحتوي محطة شحن EV النموذجية على عدد لا يحصى من وحدات البناء ، كما هو موضح في الشكل 2. في الجزء العلوي الأيسر ، يتم إدخال طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور وتصحيحها باستخدام أجهزة فعالة فعالة تتحكم أيضًا في تصحيح عامل القدرة. يتم مراقبة تيار الخرج والجهد وإدخالهما في بطارية EV في نطاق 400 فولت إلى 1000 فولت. يتم استخدام مجال الجهد المنخفض المتوازي والمعزول للتحكم في جميع إلكترونيات الطاقة عالية الجهد. يتضمن ذلك محول AC إلى DC ، ومتحكم دقيق ومجموعة متنوعة من الواجهات.
لتلبية متطلبات تصميمات شحن المركبات الكهربائية عالية الكفاءة والقدرات ، تقدم Rohm مجموعة منتجات واسعة من الأجهزة الإلكترونية النشطة والسلبية المصممة خصيصًا لتطبيقات شحن المركبات الكهربائية. على وجه الخصوص ، أسفرت الدوائر الكهروضوئية المكونة من كربيد السيليكون والصمامات الثنائية ، جنبًا إلى جنب مع برامج تشغيل البوابة الداعمة ، عن ميزة تنافسية قوية من حيث السعر والأداء.
SiC MOSFETs: اتجاهات القيادة الكهربائية
SiC عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة احتلت مركز الصدارة في عالم إلكترونيات الطاقة لتحملها للجهد العالي وكثافة طاقة عالية ومقاومة منخفضة للحالة وموصلية حرارية ممتازة. جميع هذه الخصائص مناسبة تمامًا للعديد من المهام التي يتم إجراؤها داخل محطة شحن EV.
يعتمد الجيل الرابع من Rohm من SiC MOSFETs على هيكل خندق خاص يقلل من مقاومة المنطقة النشطة مع الحفاظ على تشغيل الجهد العالي ، كما هو موضح في الشكل 3. والنتيجة هي الجهاز الأقل خسارة في الصناعة والذي يوفر تبديلًا سريعًا وعاليًا الموثوقية والتنفيذ غير المؤلم.
بالإضافة إلى انخفاض خسائر التوصيل في المنطقة النشطة للجهاز ، تم تحسين السعة الطفيلية بشكل كبير. يساعد هذا في تقليل الطاقة المفقودة أثناء الشحن والتفريغ عالي السرعة لهذه الطفيليات وتجنب التشغيل الذاتي. والنتيجة هي تحسن كبير في توليد الحرارة وتخفيض يصل إلى 40٪ في متطلبات حجم غرفة التبريد ، كما هو موضح في الشكل 4.
من الخصائص المهمة الأخرى لتصميم خندق الجيل الرابع ارتفاع عتبة الجهد بشكل ملحوظ. في دائرة الجسر النموذجية ، كما هو موضح في الشكل 5 ، غالبًا ما يكون هناك خطر من قيام MOSFET بتشغيل نفسه بسرعة كبيرة ، مما يؤدي إلى تشغيل الجهاز الآخر عن طريق الخطأ أيضًا بسبب الطفيلي Cgd اقتران. يمكن أن يؤدي هذا إلى زيادة الخسائر في عملية التبديل بشكل كبير بسبب تيار التغذية العابر. للتخفيف من هذا التأثير ، غالبًا ما تكون MOSFET منحازة في حالة إيقاف التشغيل مع مصدر جهد سلبي مخصص. يزيد هذا العرض الإضافي من التكاليف ويعقد التصميم ويقدم وضعًا جديدًا للفشل المحتمل.
تسهل عتبة الجهد العالي للجيل الرابع من SiC MOSFETs من Rohm التشغيل الموثوق به دون التعقيد الإضافي لتحيز البوابة السلبية. حتى في درجات حرارة التقاطع المرتفعة ، لا يُظهر تصميم الخندق ميول التشغيل الذاتي أثناء أحداث التبديل السريع.
تُعد موثوقية شواحن المركبات الكهربائية أمرًا بالغ الأهمية نظرًا للجهود والتيارات العالية التي ينطوي عليها الأمر. مقياس الموثوقية الحرج لدوائر MOSFET في مساحة التطبيق هذه هو زمن تحمل الدائرة القصيرة (SCWT). سمح هيكل جهاز Rohm الفريد من نوعه في الجيل الرابع SiC MOSFETs بتيار تشبع أقل على الرغم من انخفاض المقاومة المحددة. نتيجة لذلك ، يمكن للجهاز أن يتحمل ظروف ماس كهربائى لفترة أطول بكثير من الهيكل التقليدي. كما هو موضح في الشكل 6 ، يمكن أن يظل جهاز Rohm في دائرة قصر لمدة 5.54 ميكرو ثانية قبل الفشل. هذا تحسن كبير على المنتجين التنافسيين المستخدمين للمقارنة.
إن الجمع بين المقاومة المنخفضة ، والسعة الطفيلية الأدنى والتحمل العالي للدائرة القصيرة ، يجعل هذه الدوائر المتكاملة من السيليكون SiC فعالة وموثوقة للغاية. عند دمجها مع بساطة انحياز البوابة أحادية الإمداد ، تعد هذه الأجهزة مناسبة تمامًا للعديد من تطبيقات التحويل عالية الجهد وعالية الطاقة التي تظهر داخل محطات شحن EV.
ثنائيات SiC: الجيل القادم من ابتكارات السيارات
تعتبر الثنائيات عالية السرعة والجهد العالي مكونًا مهمًا في أنظمة شحن المركبات الكهربائية ، لا سيما في محولات الرنين LLC. يستخدم الجيل الثالث من Rohm من ثنائيات حاجز Schottky (SBDs) بناء SiC الخاص به لتحقيق جهد انهيار عكسي مرتفع بأقل شحنة سعوية طفيلية. يتيح ذلك أوقات استعادة عكسية سريعة جدًا وغير حساسة لدرجة حرارة التشغيل. يوضح الشكل 7 التحسن في الاسترداد العكسي عند مقارنة ثنائيات SiC مع نظيراتها التقليدية.
توفر وحدات SiC SBDs من Rohm أيضًا انخفاضًا ممتازًا في الجهد الأمامي لتقليل استهلاك الطاقة ، والتيار العكسي المنخفض للغاية ، والتسامح العالي مع النبضات الحالية. يقدم الشكل 8 مقارنة بين أجهزة SiC هذه مع ثلاثة صمامات ثنائية تنافسية.
بالنسبة لمحولات الجهد العالي ، يمكن استخدام مزيج من SiC MOSFETs و SiC SBDs لتقليل إجمالي عدد المكونات وتحسين الكفاءة الكلية. كما هو موضح في التخطيط أدناه ، يتم قطع عدد مفاتيح الواجهة الأمامية إلى النصف ، كما هو الحال مع عدد الثنائيات الثانوية.
دمج سائقي البوابة في تصميمات السيارات
عند تصميم محولات التبديل لمحطات شحن المركبات الكهربائية ، يجب توخي الحذر الشديد عند تصميم دوائر السائق. للمساعدة في هذا الجهد وتقليل تعقيد التصميم ، يوفر Rohm مجموعة واسعة من الدوائر المتكاملة المعزولة بالكامل ونصف المعزولة للسائق المصممة خصيصًا لوحدات SiC MOSFET وغيرها من أجهزة التحويل عالية الطاقة. يظهر مثال معزول بالكامل ، BM6105AFW-LB ، في الشكل 10. يستخدم هذا المحرك اقترانًا استقرائيًا لعزل إشارات التحكم في الجهد المنخفض تمامًا عن إشارات البوابة ذات الجهد العالي. هذا مفيد بشكل خاص للمفاتيح عالية الجانب المصممة عادةً مع مجالات الجهد العائم.
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب نصف عزل فقط ، يمكن استخدام BM60212FV-C ، كما هو موضح في الشكل 11. يتم عزل الأجهزة عالية الجانب بشكل استقرائي ، بينما يتم تشغيل الأجهزة منخفضة الجانب مباشرة من مرجع التحكم والجهد. هذا يقلل من تعقيد التصميم والتكلفة مع توفير وسيلة آمنة وفعالة لتبديل التحكم.
عند مقارنة محركات البوابة المقترنة بالحث Rohm بالعزل البصري الأكثر شيوعًا ، يمكن الحصول على فوائد أداء كبيرة. كما هو موضح في الشكل 12 ، تكون أوقات التشغيل والإيقاف للسائقين الحثيين أسرع مرتين ، حتى في درجات حرارة التشغيل المرتفعة.
جورج هاريمان مهندس أنظمة في Rohm Semiconductor Americas.
قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
