الجيل الجديد من تطوير وحدة التحكم في المحركات الجديدة - SiC Inverter
في وحدة تحكم محرك السيارة الكهربائية ، يعتبر العاكس مكونًا أساسيًا لتحويل طاقة AC / DC ، ويستخدم لاسترداد الطاقة أثناء القيادة أو الكبح للمحرك. يزداد الطلب على السوق بالنسبة للمراقبين من حيث كفاءة نقل الطاقة وكثافة الطاقة والسعر. وحدة الطاقة هي المكون الأساسي للعاكس لتحقيق كفاءة نقل عالية وكثافة طاقة عالية. في الوقت الحاضر ، تعتمد معظم عاكسات محرك السيارة الكهربائية على وحدة الطاقة التقليدية Si (السيليكون) IGBT (معزول بوابات الترانزستور ذات القطبين المعزول). يتميز التصميم بعيوب انخفاض تردد التبديل وخسارة كبيرة ، مما يحد من تحسين كثافة الطاقة لسائق السيارة الكهربائية.
كربيد السيليكون (SiC) له ثلاث مزايا على أجهزة Si: قوة فولطية أعلى للكسر. خسارة أقل الموصلية الحرارية أعلى. هذه الخصائص تعني أنه يمكن استخدام أجهزة SiC في التردد العالي ، وتواتر التحويل العالي ، وتطبيقات الكثافة العالية للقدرة. مع تحسين مستوى تصنيع طاقة وحدة SiC ، سوف يكون SiC جهاز أشباه موصلات أكثر ملاءمة لسائقي المركبات الكهربائية. يعد استخدام أجهزة SiC وسيلة فعالة لتحقيق كثافة طاقة عالية لسائقي المركبات الكهربائية. في الوقت الحاضر ، تم تطبيق المزيد والمزيد من الأبحاث على تطبيق وحدات الطاقة كربيد إلى المحركات المحركة. قامت شركة تويوتا موتور كوربوريشن بتطبيق وحدات الطاقة SiC على السيارات الهجينة.
بالمقارنة مع أجهزة Si ، فإن استخدام أجهزة SiC له مزايا كبيرة.
كفاءة عالية وتحسين عدد الكيلومترات المركبة
منذ انخفاض التيار الكهربائي للجهد من خصائص الصمام الثنائي SiIGBT المعارض: حتى لو كان التيار الكهربي صغيرًا ، فإن IGBT لديه انخفاض كبير في الجهد المبدئي. إن إسقاط الجهد الكهربي لسيارة SiC MOSFET يعرض خاصية مقاومة: إن انخفاض الجهد عند الدوران يتناسب مع تيار التشغيل. إن الخواص المختلفة للجهد في SiIGBT و SiCMOSFET تحدد أن فقدان التوصيل لـ SiCMOSFET أعلى من SiIGBT فقط عندما يكون التيار كبيرًا جدًا ، وفقدان التوصيل لـ SiCMOSFET أفضل من SiIGBT في معظم الفترات الحالية. في حالة عمل المركبة بأكملها ، معظمها من ظروف العمل الحالية الصغيرة ، وحالة عمل عزم الدوران الكبيرة تمثل نسبة صغيرة في كامل طيف الطريق. مع تطوير تكنولوجيا الشي Siات الشي Siية ، فإن مقاومة SiCMOSFET ستكون أفضل من SiIGBT في المستقبل.
لذلك ، بعد استخدام جهاز SiC ، يمكن تحسين كفاءة التحويل للعاكس بشكل كبير ، بحيث يمكن استخدام جهاز SiC لتحسين نفس المسافة من السيارة بالكامل.
حجم صغير وكثافة طاقة عالية
نظرًا لانخفاض فقدان أجهزة SiC ، يمكن لأجهزة SiC تحقيق نفس طاقة الخرج مع مساحة رقاقة أصغر من أجهزة Si. في نفس الوقت ، يمكن لأجهزة SiC العمل على ترددات عالية ، مما يساعد على تقليل حجم المكونات السلبية حول جهاز الطاقة. إن عاكس SiC الذي طورته United Electronics هو أكثر من نصف حجم Si العاكس المعتمد عند نفس مستوى الطاقة.
تردد تحويل عالي لتحسين ضوضاء النظام
في الوقت الحاضر ، فإن تردد التبديل المشترك لعاكس Si هو 5-10 كيلو هرتز ، وسيولد النظام ضوضاء تبديل kHz 5-20 ، والتي من السهل أن تسبب عدم الراحة في نطاق الترددات التي يمكن سماعها من قبل الأذن البشرية. باستخدام جهاز SiC ، بزيادة تردد التحويل إلى 40 كيلوهرتز ، يمكن أن يتعدى تردد ضوضاء التبديل الناتج عن النظام نطاق التردد الذي يمكن سماعه بواسطة الأذن البشرية. في نفس الوقت ، يتم زيادة تردد التبديل للمساعدة في تقليل التوافقيات الحالية ، وبالتالي تقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية وتحسين تجربة القيادة للمركبة.
لكن الاستخدام الحالي لأجهزة SiC يمثل تحديات كبيرة.
أجهزة كربيد هي أكثر تكلفة
نظرًا لأن عملية رقاقة SiC الحالية ليست ناضجة تمامًا مثل Si ، بشكل أساسي للرقائق بحجم 4 بوصات ، فإن معدل استخدام المواد ليس مرتفعًا ، وقد تم تطوير رقاقة رقاقة Si إلى 8 بوصات أو حتى 12 بوصة. من ناحية أخرى ، لم يزد الطلب على رقائق SiC في السوق ، ومن ناحية أخرى ، كانت تكلفة رقائق SiC عالية نسبياً.
تطوير تكنولوجيا جهاز تغليف SiC متخلف
في الوقت الحاضر ، قام العديد من موردي أجهزة التيار الرئيسي في العالم ببحث وتطوير رقائق SiC ، ولكن في المقابل ، فإن تطوير تكنولوجيا التغليف لأجهزة SiC متخلف. بالمقارنة مع رقاقة Si ، تتميز رقاقة SiC بمقاومة أعلى للحرارة ويمكن أن تتجاوز درجة حرارة التشغيل 200 درجة. ومع ذلك ، فإن تقنية الختم المستخدمة في وحدة SiC لا تزال مصممة مع وحدة Si ، وموثوقيتها والحياة لا يمكن أن تلبي 200 درجة. متطلبات العمل. شروط تطبيق رقاقة كربيد هي محدودة.
تقنية حماية المحرك
مقارنة مع شريحة Si ، يتم تقليل القدرة على تحمل قصر الدائرة من رقاقة SiC إلى حد كبير. لذلك ، من أجل منع فشل الدائرة القصيرة لجهاز SiC أثناء التشغيل ، تحتاج دائرة محرك الأقراص إلى وقت استجابة أقل ، والذي يقترح لتقنية حماية دائرة محرك جهاز SiC. تحد كبير.
تصميم حراري
بما أن مساحة رقاقة SiC واحدة صغيرة ، من أجل تحقيق إنتاج طاقة عالية ، فمن الضروري استخدام المزيد من الرقائق في نفس الوقت. كيفية جعل تصميم تخطيط معقول من الشريحة داخل الوحدة النمطية لضمان التوازن الحراري بين رقائق ورصد درجة الحرارة بقعة ساخنة للرقاقة هو تحد كبير.
EMI ومشاكل العزل الناجمة عن ارتفاع سرعة التحويل
بالمقارنة مع أجهزة Si ، يمكن تحسين سرعة تبديل أجهزة SiC بشكل ملحوظ ، ويتم تحسين di / dt و dv / dt في عملية التحويل ، على الرغم من أن هذا يساعد على تقليل فقدان التبديل للجهاز ، ولكن من ناحية أخرى سوف تنتج مشاكل خطيرة EMI ، وكيفية تصميم بشكل صحيح دائرة التحكم ودائرة مرشح لقمع EMI هي أيضا قضية مهمة. في الوقت نفسه ، يؤثر ارتفاع dv / dt بشكل سلبي على عزل اللفات الحركية ، والتي قد تسرع من شيخوخة الأجزاء العازلة مثل الأسلاك المطلية بالمينا والحلقة العازلة ، مما يجلب تحديات جديدة لتصميم العزل للمحرك.
لنلخص
على الرغم من أن عملية جهاز SiC الحالية ليست ناضجة مثل Si ، فإن تطوير حزمة SiC يكون متخلفًا نسبيًا ، وسعر الجهاز أعلى بعدة مرات من Si. ومع ذلك ، مع نضج تقنية الأجهزة والطلب المتزايد على أجهزة SiC في السوق ، فإن هذه العيوب سوف تتلاشى تدريجياً ، وأجهزة SiC تكون عالية في تحمل مقاومة الجهد ، وتواتر تحويل عالي ، وخسارة منخفضة ، وهكذا. كما تحدد المزايا أنه يمكن استخدامها على نطاق أوسع كمواد تنافسية للغاية في المستقبل.
