سيلبي الجيل القادم من أشباه موصلات الطاقة ، التي تغذيها تقنية كربيد السيليكون (SiC) ، احتياجات سوق السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEV) سريع النمو والبنية التحتية للشحن ، فضلاً عن الطلبات المتزايدة لمعايير جديدة لكفاءة الطاقة ، أعلى كثافة الطاقة وأحجام النظام الأصغر في قطاعي الطاقة الصناعية والمتجددة.
لتحقيق أقصى استفادة من SiC ، يجب على المصممين إجراء بعض التغييرات على تصميمهم ، مما يؤدي إلى تغييرات جوهرية في ثنائي الفينيل متعدد الكلور. من الأهمية بمكان تقديم تصميم متين للتعامل مع ترددات تشغيل أعلى بكثير. تعد تطبيقات السيارات من بين التطبيقات التي تستفيد كثيرًا من تقنية SiC. يتم استخدامه بشكل خاص في الدفع الرئيسي ولشواحن على متن الطائرة ومحطات شحن البطاريات.
لمساعدة المصممين على تسريع التحول من السيليكون إلى SiC ، توصل Wolfspeed إلى نهج معياري (SpeedVal Kit). وفقًا لـ Wolfspeed ، لا توفر مجموعات تقييم SiC الموجودة في السوق للمهندسين مجموعة ضيقة من المكونات التي يمكن اختبارها فحسب ، بل تركز فقط على جهاز SiC فقط. يمكن لـ SpeedVal Kit اختبار أداء التحويل الديناميكي عالي السرعة وتحسينه بسرعة لوحدات Wolfspeed SiC MOSFET عند استخدامها مع مجموعة متنوعة من برامج تشغيل البوابة من رواد الصناعة.
كشركة رائدة عالميًا في تكنولوجيا SiC ، تمتلك Wolfspeed مجموعة من ثنائيات SiC Schottky و MOSFET من 600 فولت إلى 1700 فولت ومجموعة واسعة من وحدات طاقة SiC المتوفرة في بصمات أقدام مُحسّنة ومتوافقة مع معايير الصناعة.
كشركة متكاملة رأسياً ، تمتلك Wolfspeed جميع الخطوات في عملية إنتاج SiC. ابتكر المؤسسون حلول SiC ونيتريد الغاليوم (GaN) لكل من التطبيقات عالية الطاقة و RF (الشكل 1).
كربيد السيليكون
يحتوي SiC على قوة عازلة تبلغ 10 × من السيليكون ، مما يوفر إمكانية بناء أجهزة تعمل بجهد أعلى وتفي بالمتطلبات في مجال البنية التحتية للشحن والشبكة الذكية. يسمح تردد التبديل الأعلى للمصممين بتقليل الحجم المادي للمغناطيس ، أو المحاثات التي تشكل جزءًا من المرشحات أو المحول نفسه ، والذي يمكن أن يكون أصغر عند استخدام تردد التحويل العالي.
تُستخدم أجهزة طاقة SiC حاليًا على نطاق واسع في تطبيقات مثل إمدادات الطاقة وتحويل طاقة BEV لشحن البطاريات ومحرك الجر ومحركات المحركات الصناعية وأنظمة توليد الطاقة المتجددة مثل محولات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
ستصبح SiC أكثر أهمية لقطاع السيارات حيث يزيد المزيد من الشركات المصنعة من استثماراتها في تطوير المركبات الكهربائية. إذا أردنا أن تكون كل سيارة على الطريق سيارة كهربائية ، فلا يجب أن تكون المركبات الكهربائية ذات المسافات الطويلة هي المعيار فحسب ، بل يجب أن تكون البطاريات أيضًا أقل تكلفة ويتم شحنها بشكل أسرع. نظرًا لوجود فجوة نطاق أكبر في السيليكون ، ومجال كهربائي أقوى للانهيار ، وموصلية حرارية أعلى ، فإن الصناعة تتحرك بعيدًا عن السيليكون وتتجه نحو SiC لإلكترونيات الطاقة. تحقق MOSFETs القائمة على SiC خسائر أقل وترددات تحويل أعلى وكثافة طاقة أعلى مقارنة بالمكونات القائمة على السيليكون.
لا يمكن فصل استخدام أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض في أصعب تطبيقات الطاقة عن التقييم الدقيق لموثوقية الأجهزة. في صناعة أشباه الموصلات ، ليست قضايا الموثوقية جديدة ، لكنها حظيت باهتمام أكبر حيث يستمر محتوى أشباه الموصلات المتطور في المركبات في الارتفاع ويتم استخدام الرقائق في التطبيقات ذات المهام الحرجة بشكل متزايد ، مثل محولات الجر وأجهزة الشحن. لا يقتصر اختبار جهاز الطاقة على معلمات ورقة البيانات الخاصة بالجزء ، حيث يقوم المصنعون عادةً بإجراء مجموعة متنوعة من الاختبارات المتسارعة ، بما في ذلك اختبارات الجهد العالي ودرجة الحرارة العالية والرطوبة العالية.
منصة معيارية
SpeedVal Kit الجديد من Wolfspeed عبارة عن منصة تقييم معيارية توفر للمصممين الذين يعملون مع كتل بناء SiC لتعدد استخدامات لا مثيل له وإمكانية التخصيص واختبار سريع وسهل على مستوى النظام. لا توفر المنصة فقط القدرة على اختبار طبولوجيا مختلفة بسرعة مع مجموعة متنوعة من منتجات SiC في كل من الحزم المثبتة على السطح والحزم عبر الفتحات ولكنها تجمع معًا نظامًا بيئيًا كاملًا من كتل البناء التي تسمح بتقييم فعال للنظام.
“ينصب تركيز هذه المجموعة على مساعدة المهندسين على اجتياز عملية التصميم الخاصة بهم بسرعة أكبر وبأقل مفاجآت على طول الطريق لأنهم يستطيعون اختبار MOSFET جنبًا إلى جنب مع برنامج تشغيل البوابة الذي يعتزمون استخدامه في تصميمهم وإجراء الاختبار والتحسين باستخدام SpeedVal من قبل قال آدم أندرس ، SME ومدير منصات الطاقة في Wolfspeed ، “لقد بدأوا حتى في تصميم أجهزتهم الخاصة”. “هذا يقلل من مخاطر التصميم ويسرع الجداول الزمنية للتطوير ، مما يسمح للعملاء بجني فوائد Wolfspeed SiC في وقت أقرب.”
تمكّن المجموعة المهندسين من إعداد واختبار وحدة التحكم ومحرك البوابة والمغناطيسية وأجهزة SiC لمحول الطاقة. وفقًا لـ Wolfspeed ، من خلال تمكين العملاء من تقييم جميع المكونات الحاسمة مرة واحدة على منصة التقييم هذه ، تقلل هذه الاستراتيجية من المخاطر والوقت اللازمين لهم لتصميم نظامهم الخاص.
قال أندرس: “إنها تساعد مهندسي إلكترونيات الطاقة على الاختبار بسهولة أكبر”. “يمكنهم تعيين معلمات لاختبار النبض المزدوج أو اختبار باك أو دفعة الطاقة على واجهة المستخدم الرسومية المستندة إلى الكمبيوتر بدلاً من الاضطرار إلى توفير PWMs من مولد أو وحدة تحكم خارجية. علاوة على ذلك ، يمكن لمهندسي البرامج الثابتة البدء في تطوير بعض البرامج الثابتة المخصصة اللازمة لمنتجهم والقدرة على اختبارها على تصميم حقيقي عالي الجهد / عالي الطاقة بدلاً من مجرد لوحة مطورة لوحدة تحكم منخفضة الجهد.
“عند التصميم باستخدام SiC MOSFETs ، يمكن أن يتسبب ارتفاع dV / dt و di / dt الذي ينتج عنه خسائر تحويل منخفضة أيضًا في حدوث تحديات بسبب الحث الطفيلي والسعة في التخطيط ،” أضاف. “يمكن أن يؤثر محرك البوابة نفسه أيضًا على أداء التحويل في SiC MOSFET ، اعتمادًا على قوة القيادة. تتيح منصة SpeedVal Kit للمهندسين فحص هذه التفاعلات وتحسين دائرة البوابة بالكامل. في بعض التطبيقات ، يلزم وجود حماية ماس كهربائى لـ SiC MOSFETs. مع SiC ، تكون مدة الدارة القصيرة المسموح بها أقصر من IGBTs ، مما يتطلب اكتشافًا وإغلاقًا سريعًا. تتضمن بعض البطاقات الفرعية لسائق البوابة حماية ماس كهربائى ، مما يسمح للمهندسين بتحسين عتبة دائرة الكشف وتوقيتها “.
تتكون المنصة من اللوحة الأم وبطاقة الابنة الكهربائية وبطاقة تشغيل البوابة وبطاقة التحكم الاختيارية وغيرها من الملحقات المحتملة. يمكن للمصممين اختبار أي من أجهزة Wolfspeed المنفصلة حتى 1200 فولت جنبًا إلى جنب مع مجموعة متنوعة من بدائل محرك البوابة من الشركات المصنعة الأخرى باستخدام منهجية “التوصيل السريع”. تدعم منصة التقييم هذه مجموعة من الفولتية وأنواع الحزم وطبولوجيا الطاقة لدعم أي تطبيق تقريبًا.
قد يقوم المهندسون بتبديل أجهزة SiC بسرعة عن طريق تغيير بطاقة ابنة الطاقة دون الحاجة إلى اللحام مع الحفاظ على اتصال منخفض الحث مع ناقل التيار المستمر للحصول على أفضل أداء للتحويل. SiC هو حل رائع لـ 1200 فولت ، وهو أكثر صعوبة لتقنية GaN الجانبية لتلبية مستويات الطاقة هذه.
تمكّن مجموعة SpeedVal Kit الجديدة المصممين من تحسين نظام تشغيل البوابة وقياس ما يلي:
- سص ص وخسارة التبديل (E.على، إيإيقاف، إيRR)
- التوقيت (Tتأخير، تتأخير، تترتفع، تخريف)
- التجاوز (V.DS-MAX، أناD-MAX)
- سرعة التحويل (di / dt، dV / dt)
يمكن للمهندسين أيضًا ضبط مقاومة البوابة (Rجي) لتحسين سلوك التحويل وتقييم جميع وحدات SiC MOSFET المنفصلة حتى 1200 فولت عبر مجموعة واسعة من الحزم ، بما في ذلك TO-247 و TO-263 و TOLL ، أثناء التشغيل في الهيكل المطلوب كمحول باك أو دفع باستخدام نصف الجسر اللوحة الأم.
يمكن أيضًا استخدام المنصة للاختبار الحراري عالي الطاقة لتقييم الأداء في ظل ظروف التشغيل الفعلية. تم أيضًا إنشاء نموذج سبايس معياري دقيق لكل مكون من مكونات النظام ليتماشى مع اختبار الأجهزة. سيمكن ذلك المهندسين من مقارنة نتائج الاختبار مع عمليات المحاكاة والبناء على ملف المحاكاة لنمذجة أنظمتهم الخاصة.
قال أندرس: “يشتمل نموذج LTspice للنظام على تقديرات للعناصر الطفيلية الرئيسية في النظام ، مثل الحث في المسار إلى ناقل التيار المستمر والسعة بين الصرف والمصدر وكذلك الصرف والبوابة”. “هذا لا يجعل المحاكاة أكثر دقة فحسب ، بل يوفر أيضًا نظرة ثاقبة للقيم المعقولة للمهندس أثناء تطويرهم للتصميمات الخاصة بهم. مع SiC MOSFETs ، تتأثر خسائر التبديل بشكل كبير بتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور وخصائص محرك البوابة ، لذلك يجب توخي الحذر في التصميم للتحكم في هذه العناصر. “
تتميز اللوحات الأم بتصميم منخفض الحث وتتميز بوصلات طاقة طرفية لولبية. تم تحسين بطاقات ابنة الطاقة لكل حزمة جهاز وتستخدم موصلات متحدة المحور لـ V.ع و V.DS قياسات لسلامة الإشارة المثلى. أنها تستخدم الاستشعار الحالي ذو النطاق الترددي العالي لتبديل قياسات فقدان الخسارة. يسمح نهج بطاقة ابنة الطاقة باستخدام نفس النظام الأساسي لتقييم أجهزة SiC في مجموعة من الحزم ، بدءًا من أجهزة TOLL المثبتة على السطح وحتى حزم TO-247.
تم التخطيط لإصدارات متعددة من اللوحة الأم بخلاف الإصدار نصف الجسر الذي تم طرحه مؤخرًا ، بما في ذلك إصدار ثلاثي المراحل للمحولات والتحكم في المحرك.
تم تكوين بطاقات ابنة الطاقة على أنها نصف جسر. من خلال التعاون مع Wolfspeed ، تمكنت الشركات المصنعة لسائقي البوابات الرائدة من إنتاج لوحات تشغيل بوابة بطاقة الابنة التي تمكن المصممين من اختبار النطاق الكامل من SiC MOSFETs. يحتوي كل تكوين على لوحة أساسية تم تحسينها ، وناقل تيار مستمر ، واستشعار تيار لوحدة الطاقة وسائق بوابة بطاقة ابنة. هناك نوعان من مخرجات محرك البوابة المعزولة على كل بطاقة مشغل بوابة يتم استخدامها لقيادة بطاقة ابنة الطاقة نصف الجسر. قد يستخدم المهندسون برنامج تشغيل البوابة المفضل لديهم ومجموعة الميزات لاختبار أجهزة Wolfspeed على البطاقات أثناء إجراء القياسات وتحسين أداء زوج محرك بوابة التوصيل SiC MOSFET.
بالنسبة لمصممي SiC في العديد من قطاعات التطبيقات ، تعد مجموعة SpeedVal مكانًا جيدًا للبدء. في المستقبل المنظور ، يعد تسريع تصميم منتج SiC أمرًا ضروريًا لتمكين الكفاءة المحسنة ، والحجم الأصغر ، والوزن الأقل ، والتصميمات الأكثر برودة. تعاونت Wolfspeed مع شريك التوزيع Arrow Electronics لبناء نظام بيئي قوي لتقييم SiC يضم قادة الصناعة. عمل Wolfspeed و Arrow عن كثب مع Bourns على تصميمات مغناطيسية ، واختاروا Yageo / Kemet كمورد للمكثفات وحصلوا على اللوحات الأم لسائق البوابة المتوافقة من Texas Instruments ، والأجهزة التناظرية ، و Skyworks ، مع آخرين قيد التطوير.
ظهرت منصة التقييم المعيارية اللاحقة لتصميم حل SiC لأول مرة في Power Electronics News.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
