أصبح كربيد السيليكون أحد أهم مواد أشباه الموصلات في إلكترونيات طاقة المركبات الكهربائية. ومع ذلك، لا يتم استخدام SiC عادةً لتصنيع خلايا البطارية أو المحرك الكهربائي أو جسم السيارة.
بدلاً من،رقائق كربيد السيليكونتتم معالجتها في أجهزة أشباه موصلات الطاقة مثل SiC MOSFETs وثنائيات حاجز SiC Schottky. تقوم هذه الأجهزة بالتحكم وتحويل الكهرباء ذات الجهد العالي داخل السيارة.
تشمل تطبيقات السيارات الرئيسية محولات الجر، والشواحن الموجودة على متن السيارة، ومحولات DC-DC ذات الجهد العالي وأنظمة الطاقة المساعدة المختارة. كما تتزايد أهمية SiC في البنية التحتية للشحن.
| مكون EV | الوظيفة الرئيسية | تطبيق SiC النموذجي | الفائدة الرئيسية |
|---|---|---|---|
| العاكس الجر | يحول البطارية DC إلى محرك AC | وحدات الطاقة SiC MOSFET | فقدان أقل للتبديل وكثافة طاقة أعلى |
| شاحن على متن الطائرة | يحول شبكة التيار المتردد إلى بطارية DC | MOSFETs SiC وثنائيات SiC | كفاءة أعلى ومكونات مغناطيسية أصغر |
| محول DC-DC عالي الجهد | يحول جهد بطارية الجر إلى 12 فولت أو 48 فولت | مفاتيح الطاقة كربيد السيليكون | تحويل الجهد الفعال |
| العاكس ضاغط كهربائي | يقود ضاغط تكييف الهواء الكهربائي | الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC في أنظمة مختارة | خسارة أقل وتحسين التشغيل في درجات الحرارة العالية |
| الطاقة المساعدة ذات الجهد العالي | يتحكم في السخانات والمضخات والأحمال الأخرى | مفاتيح SiC في التصاميم عالية الطاقة | حجم صغير وقدرة الجهد العالي |
| شاحن سريع بالتيار المستمر | يحول طاقة الشبكة إلى تيار مستمر عالي الجهد | وحدات الطاقة كربيد السيليكون | كفاءة أعلى لوحدة الشحن وكثافة الطاقة |
توفر بطارية الجر للمركبة الكهربائية تيارًا مباشرًا، بينما يتطلب محرك الدفع عادةً تيارًا متناوبًا يتم التحكم فيه. يتطلب الشحن والقيادة والكبح المتجدد وتزويد الأجهزة الإلكترونية ذات الجهد المنخفض تحويل الكهرباء بين الفولتية والأشكال المختلفة.
يتم إجراء هذه التحويلات بواسطة أنظمة الطاقة الإلكترونية.
تستخدم السيارات الكهربائية التقليدية عادةً IGBTs السيليكونية وMOSFETs السيليكونية وثنائيات السيليكون. تظل هذه الأجهزة مناسبة للعديد من التطبيقات، خاصة عندما تكون التكلفة والتشغيل منخفض الجهد والتصنيع الراسخ هي الأولويات الرئيسية.
مع زيادة جهد السيارة وطاقتها، يصبح فقد التبديل وتوليد الحرارة وحجم المكونات أكثر أهمية. هذا هو المكان الذي توفر فيه أجهزة SiC ذات فجوة النطاق الواسعة مزايا كبيرة.
يعد عاكس الجر حاليًا أهم تطبيق للسيارات لكربيد السيليكون.
أثناء التسارع، يقوم العاكس بتحويل كهرباء التيار المستمر من بطارية الجر إلى كهرباء تيار متردد ثلاثية الطور للمحرك. كما أنه يتحكم في سرعة المحرك وعزم الدوران.
أثناء الكبح المتجدد، تعمل عملية التحويل في الاتجاه المعاكس. يتم تحويل الكهرباء المولدة من المحرك مرة أخرى إلى تيار مستمر وإعادتها إلى البطارية.
نظرًا لأن عاكس الجر يقوم بتبديل الفولتية العالية والتيارات الكبيرة بشكل متكرر، فإنه يمكن أن ينتج عنه خسائر كبيرة في التوصيل والتبديل. تعتبر IGBTs السيليكونية التقليدية ناضجة وموثوقة، ولكن سلوك التبديل الخاص بها يمكن أن يحد من الكفاءة عند ترددات التشغيل الأعلى.
يمكن أن توفر دوائر SiC MOSFET ما يلي:
يعتمد التحسين الفعلي للكفاءة على سرعة السيارة، وحمل المحرك، واستراتيجية التبديل، وتصميم التبريد، ودورة القيادة. لا يضمن SiC زيادة ثابتة في نطاق القيادة، ولكن تقليل خسائر العاكس يمكن أن يحسن الاستخدام العام للطاقة.
غالبًا ما تكون الفائدة ذات قيمة خاصة أثناء التشغيل بالحمولة الجزئية، والقيادة على الطرق السريعة وغيرها من الظروف التي تؤثر فيها كفاءة إلكترونيات الطاقة بقوة على إجمالي استهلاك السيارة.
يقوم الشاحن الموجود على متن الطائرة، أو OBC، بتحويل كهرباء التيار المتردد الخارجية إلى كهرباء تيار مستمر يمكن التحكم فيها لشحن بطارية الجر.
قد تشمل مراحل تحويل الطاقة ما يلي:
يمكن استخدام وحدات SiC MOSFET وثنائيات SiC Schottky في تصحيح معامل القدرة ومراحل DC-DC. تتيح قدرة التبديل عالية التردد للمهندسين تقليل حجم بعض المحولات والمحاثات والمكثفات.
تشمل فوائد OBC المحتملة ما يلي:
قد تدعم أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه أيضًا التشغيل من السيارة إلى الشبكة، أو من السيارة إلى المنزل، أو من السيارة إلى التحميل. تتطلب هذه الوظائف تحويلًا فعالاً للطاقة ثنائي الاتجاه وتمثل تطبيقًا محتملاً آخر لمفاتيح SiC.
ومع ذلك، لا يزال اختيار المكونات يعتمد على قوة الشاحن، وطوبولوجيا التبديل، والجهد، والمتطلبات الحرارية والتكلفة المستهدفة.
تحتوي السيارة الكهربائية عادةً على أنظمة كهربائية عالية الجهد ومنخفضة الجهد.
قد تعمل بطارية الجر بعدة مئات من الفولتات، بينما تعمل الإضاءة والترفيه وأجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم والإلكترونيات الأخرى عادةً من نظام 12 فولت أو 48 فولت.
يقوم محول DC-DC عالي الجهد بتخفيض جهد بطارية الجر إلى الجهد المنخفض المطلوب. كما أنه يوفر إلكترونيات السيارة ويشحن البطارية ذات الجهد المنخفض.
يمكن استخدام أجهزة SiC في محولات DC-DC عالية الطاقة لتوفير تحويل فعال وتقليل حجم النظام. يمكن أن يدعم أدائها ترددات تحويل أعلى، مما قد يقلل من حجم المكونات المغناطيسية.
ليس كل محول DC-DC للسيارات يتطلب SiC. قد تظل دوائر MOSFET السيليكونية أكثر اقتصادية بالنسبة للمراحل ذات الطاقة المنخفضة أو الجهد المنخفض. تزداد قيمة SiC عندما يجب على المحول التعامل مع جهد الإدخال العالي والطاقة العالية والظروف الحرارية الصعبة.
على عكس محرك الاحتراق الداخلي، لا يمكن للسيارة الكهربائية الاعتماد على حرارة المحرك المهدرة لإدارة جميع متطلبات درجة حرارة المقصورة والبطارية. ولذلك تلعب الضواغط الكهربائية والمضخات الحرارية ومضخات التبريد وسخانات الجهد العالي دورًا مهمًا في الإدارة الحرارية للمركبة.
يحتوي ضاغط تكييف الهواء الكهربائي على محرك وعاكس يتحكم في المحرك. يمكن استخدام وحدات SiC MOSFET في محولات الضاغط ذات الجهد العالي المحددة لتقليل فقدان الطاقة وتحسين الأداء في درجات الحرارة العالية.
تشمل المزايا المحتملة ما يلي:
التطبيق أقل عالمية من عاكس الجر. يعتمد ما إذا كان SiC مبررًا اقتصاديًا على قوة الضاغط، وجهد التشغيل، والتصميم الحراري ومكاسب الكفاءة المتوقعة.
قد تظهر أيضًا أجهزة طاقة SiC في أنظمة مساعدة عالية الجهد محددة، بما في ذلك:
لا تزال العديد من هذه الأنظمة تستخدم أجهزة السيليكون. من الأرجح أن يتم اختيار SiC عندما يبرر الجهد العالي أو تردد التبديل العالي أو التغليف المدمج أو متطلبات التبريد المنخفضة التكلفة الإضافية للجهاز.
لا يتم تركيب شاحن سريع يعمل بالتيار المستمر داخل السيارة، ولكنه جزء مهم من النظام البيئي لطاقة السيارة الكهربائية.
تعمل أجهزة الشحن السريعة على تحويل التيار المتردد للشبكة إلى تيار مستمر عالي الجهد منظم، والذي يتم توصيله مباشرة إلى بطارية الجر. مع زيادة طاقة خرج الشاحن، يجب أن تتعامل وحدات التحويل مع الفولتية العالية والتيارات والأحمال الحرارية.
يمكن أن تساعد وحدات SiC MOSFET والثنائيات في وحدات الشحن على تحقيق ما يلي:
لا يحدد استخدام SiC سرعة الشحن بشكل مستقل. يعتمد الحد الأقصى لمعدل الشحن أيضًا على بطارية السيارة وحالة الشحن ودرجة حرارة البطارية وبروتوكول الشحن وسعة الكابل واستراتيجية الإدارة الحرارية.
تسمح زيادة جهد نظام البطارية للمركبة بنقل نفس الطاقة بتيار أقل.
يمكن للتيار المنخفض أن يقلل من خسائر المقاومة في الكابلات وقضبان التوصيل والتوصيلات الكهربائية. وقد يدعم أيضًا طاقة شحن أعلى دون الحاجة إلى زيادة مفرطة في حجم الموصل.
ومع ذلك، فإن الجهد العالي للنظام يفرض متطلبات أكثر تطلبًا على:
يحتوي كربيد السيليكون على مجال كهربائي حرج أعلى بكثير من السيليكون. وبالتالي يمكنها دعم أجهزة الطاقة ذات الجهد العالي مع فقد منخفض نسبيًا في التحويل والتوصيل.
وهذا يجعل SiC جذابًا بشكل خاص لمحولات الجر فئة 800 V، وأجهزة الشحن المدمجة ومحولات DC-DC. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل اعتماد SiC غالبًا ما يبدأ بمنصات المركبات عالية الجهد والأداء.
لا يتم عادةً تركيب رقاقة SiC الخام مباشرة في السيارة الكهربائية. ويجب أن تمر بعدة مراحل تصنيعية.
تتم معالجة مادة مصدر SiC عالية النقاء في درجات حرارة عالية جدًا لتكوين كرة SiC أحادية البلورة.
يتم توجيه الكرة وتقطيعها وطحنها وصقلها وتنظيفها لإنتاج ركائز SiC. بالنسبة لأجهزة الطاقة الخاصة بالسيارات، يتم استخدام 4H-SiC بشكل شائع.
يتم زراعة طبقة الفوقي SiC الخاضعة للرقابة على الركيزة المصقولة. تم تصميم سمكها وتطعيمها وفقًا لجهد الجهاز والأداء الكهربائي المطلوب.
تعمل عمليات أشباه الموصلات على مستوى الرقاقة على إنشاء وحدات MOSFET من SiC أو صمامات ثنائية شوتكي أو أجهزة طاقة أخرى.
يتم تقطيع الأجهزة وتوصيلها كهربائيًا وتجميعها في حزم منفصلة أو وحدات طاقة. قد تشتمل الوحدة النهائية على قوالب أشباه الموصلات، والموصلات المعدنية، والركائز الخزفية، والألواح الأساسية، وواجهات التبريد.
يتم دمج الأجهزة أو الوحدات المعبأة في العاكس أو الشاحن أو المحول. يجب تحسين برامج تشغيل البوابة وقضبان التوصيل والمكثفات وأنظمة التبريد وبرامج التحكم لتتناسب مع السلوك الكهربائي لـ SiC.
يمكن لوحدات SiC MOSFETs التبديل بكفاءة أكبر من وحدات IGBTs السيليكونية في العديد من التطبيقات ذات الجهد العالي. انخفاض فقدان التبديل يقلل من الطاقة المهدرة وتوليد الحرارة.
يمكن أن يؤدي ارتفاع تردد التشغيل إلى تقليل حجم المحولات والمحاثات والمكثفات المحددة. ومع ذلك، فإن التردد العالي يزيد أيضًا من أهمية التداخل الكهرومغناطيسي والتحكم في تخطيط الدائرة.
تدعم فجوة النطاق الواسعة لـ SiC التشغيل في ظل ظروف درجات الحرارة الأكثر تطلبًا. لا تزال درجة الحرارة القصوى العملية محدودة بسبب التعبئة والتغليف والوصلات البينية وبرامج تشغيل البوابة ومتطلبات موثوقية النظام.
يسمح انخفاض الخسارة وتردد التبديل الأعلى بمعالجة المزيد من الطاقة ضمن حجم أصغر عندما يتم تصميم النظام الكامل وفقًا لذلك.
يعتبر SiC مناسبًا تمامًا لفئات الجهد المستخدمة في أنظمة الجر والشحن الحديثة للمركبات الكهربائية، وخاصة المنصات ذات الجهد العالي.
يمكن لـ SiC تقليل خسائر تحويل الطاقة، ولكن لا توجد نسبة مئوية عالمية تزيد من مدى السيارة.
النتيجة تعتمد على:
قد يستخدم المصنعون ميزة الكفاءة بطرق مختلفة. قد يؤدي أحد التصميمات إلى توسيع نطاق القيادة، بينما قد يقلل الآخر من سعة البطارية أو يقلل من حجم نظام التبريد أو يزيد من أداء السيارة.
ولذلك ينبغي تقييم SiC على مستوى النظام وليس فقط من خلال مقارنة مواصفات أشباه الموصلات الفردية.
يقدم كربيد السيليكون أداءً قويًا، ولكنه يقدم أيضًا تحديات تقنية وتجارية.
يعد نمو بلورات SiC ومعالجة الرقائق أكثر صعوبة من تصنيع السيليكون التقليدي. وهذا يساهم في ارتفاع تكاليف الركيزة والأجهزة.
يمكن أن تؤثر الأنابيب الدقيقة والخلع وأخطاء التراص والخدوش السطحية والأضرار تحت السطح على النمو الفوقي وإنتاجية الجهاز. تتطلب تطبيقات السيارات اتساقًا صارمًا للمواد وإمكانية التتبع.
تتحول وحدات SiC MOSFET بسرعة وتتطلب محركات بوابة مصممة بعناية ودوائر حماية وتحكم في التبديل.
إن التحولات السريعة للتيار والجهد تجعل تخطيط الوحدة وتصميم شريط التوصيل وتحريض الحزمة أمرًا مهمًا بشكل خاص.
يمكن أن تؤدي سرعات التبديل الأعلى إلى خلق تحديات التوافق الكهرومغناطيسي إذا لم يتم تصميم نظام الطاقة الكامل بشكل صحيح.
قد تتطلب أجهزة SiC اكتشاف الأخطاء والحماية بشكل أسرع من أجهزة IGBT المصنوعة من السيليكون التقليدية، اعتمادًا على تصميم الجهاز والنظام.
بالنسبة للأنظمة ذات الجهد المنخفض أو الحساسة للتكلفة، قد تظل دوائر MOSFET السيليكونية وIGBTs توفر أفضل توازن بين الأداء والنضج والتكلفة.
تؤثر جودة الركيزة SiC بشكل مباشر على النمو الفوقي وتصنيع الجهاز. عند تحديد مصادر الرقائق لتطوير أشباه موصلات طاقة السيارات، يجب على المشترين تحديد أكثر من قطر الرقاقة وسمكها.
تتضمن معلمات طلب عرض الأسعار الهامة ما يلي:
لا ينبغي التعامل مع رقائق الأبحاث والرقائق الوهمية والركائز المخصصة للأجهزة كمواد قابلة للتبديل. يجب اختيار الدرجة الصحيحة وفقًا للتصنيف أو تطوير العملية أو معايرة المعدات أو متطلبات إنتاج الجهاز.
يستخدم كربيد السيليكون في المقام الأول في أنظمة تحويل الطاقة ذات الجهد العالي للسيارات الكهربائية. أهم تطبيقاته هو عاكس الجر، يليه الشواحن الموجودة على متن الطائرة، ومحولات DC-DC عالية الجهد وأنظمة الإدارة الحرارية أو أنظمة الطاقة المساعدة المختارة.
تعمل أجهزة SiC كمفاتيح إلكترونية عالية السرعة. فهي لا تقوم بتخزين الطاقة أو قيادة السيارة ميكانيكيًا بشكل مباشر. وبدلاً من ذلك، فإنها تتحكم في كيفية انتقال الطاقة الكهربائية بين البطارية والمحرك ومدخل الشحن وإلكترونيات السيارة.
إن فقدان التبديل المنخفض، وقدرتها على الجهد العالي وإمكانية زيادة كثافة الطاقة يجعلها جذابة بشكل خاص للسيارات الكهربائية عالية الأداء و800 فئة V. ومع ذلك، تعتمد القيمة النهائية على تصميم النظام الكامل، بما في ذلك التغليف، وقيادة البوابة، والتبريد، والحماية، والتوافق الكهرومغناطيسي.
مع استمرار الأنظمة الكهربائية للمركبات الكهربائية في التحرك نحو الجهد العالي والشحن الأسرع وإلكترونيات الطاقة الأكثر إحكاما، من المتوقع أن يلعب كربيد السيليكون دورًا متزايد الأهمية إلى جانب أجهزة السيليكون التقليدية.
أصبح كربيد السيليكون أحد أهم مواد أشباه الموصلات في إلكترونيات طاقة المركبات الكهربائية. ومع ذلك، لا يتم استخدام SiC عادةً لتصنيع خلايا البطارية أو المحرك الكهربائي أو جسم السيارة.
بدلاً من،رقائق كربيد السيليكونتتم معالجتها في أجهزة أشباه موصلات الطاقة مثل SiC MOSFETs وثنائيات حاجز SiC Schottky. تقوم هذه الأجهزة بالتحكم وتحويل الكهرباء ذات الجهد العالي داخل السيارة.
تشمل تطبيقات السيارات الرئيسية محولات الجر، والشواحن الموجودة على متن السيارة، ومحولات DC-DC ذات الجهد العالي وأنظمة الطاقة المساعدة المختارة. كما تتزايد أهمية SiC في البنية التحتية للشحن.
| مكون EV | الوظيفة الرئيسية | تطبيق SiC النموذجي | الفائدة الرئيسية |
|---|---|---|---|
| العاكس الجر | يحول البطارية DC إلى محرك AC | وحدات الطاقة SiC MOSFET | فقدان أقل للتبديل وكثافة طاقة أعلى |
| شاحن على متن الطائرة | يحول شبكة التيار المتردد إلى بطارية DC | MOSFETs SiC وثنائيات SiC | كفاءة أعلى ومكونات مغناطيسية أصغر |
| محول DC-DC عالي الجهد | يحول جهد بطارية الجر إلى 12 فولت أو 48 فولت | مفاتيح الطاقة كربيد السيليكون | تحويل الجهد الفعال |
| العاكس ضاغط كهربائي | يقود ضاغط تكييف الهواء الكهربائي | الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC في أنظمة مختارة | خسارة أقل وتحسين التشغيل في درجات الحرارة العالية |
| الطاقة المساعدة ذات الجهد العالي | يتحكم في السخانات والمضخات والأحمال الأخرى | مفاتيح SiC في التصاميم عالية الطاقة | حجم صغير وقدرة الجهد العالي |
| شاحن سريع بالتيار المستمر | يحول طاقة الشبكة إلى تيار مستمر عالي الجهد | وحدات الطاقة كربيد السيليكون | كفاءة أعلى لوحدة الشحن وكثافة الطاقة |
توفر بطارية الجر للمركبة الكهربائية تيارًا مباشرًا، بينما يتطلب محرك الدفع عادةً تيارًا متناوبًا يتم التحكم فيه. يتطلب الشحن والقيادة والكبح المتجدد وتزويد الأجهزة الإلكترونية ذات الجهد المنخفض تحويل الكهرباء بين الفولتية والأشكال المختلفة.
يتم إجراء هذه التحويلات بواسطة أنظمة الطاقة الإلكترونية.
تستخدم السيارات الكهربائية التقليدية عادةً IGBTs السيليكونية وMOSFETs السيليكونية وثنائيات السيليكون. تظل هذه الأجهزة مناسبة للعديد من التطبيقات، خاصة عندما تكون التكلفة والتشغيل منخفض الجهد والتصنيع الراسخ هي الأولويات الرئيسية.
مع زيادة جهد السيارة وطاقتها، يصبح فقد التبديل وتوليد الحرارة وحجم المكونات أكثر أهمية. هذا هو المكان الذي توفر فيه أجهزة SiC ذات فجوة النطاق الواسعة مزايا كبيرة.
يعد عاكس الجر حاليًا أهم تطبيق للسيارات لكربيد السيليكون.
أثناء التسارع، يقوم العاكس بتحويل كهرباء التيار المستمر من بطارية الجر إلى كهرباء تيار متردد ثلاثية الطور للمحرك. كما أنه يتحكم في سرعة المحرك وعزم الدوران.
أثناء الكبح المتجدد، تعمل عملية التحويل في الاتجاه المعاكس. يتم تحويل الكهرباء المولدة من المحرك مرة أخرى إلى تيار مستمر وإعادتها إلى البطارية.
نظرًا لأن عاكس الجر يقوم بتبديل الفولتية العالية والتيارات الكبيرة بشكل متكرر، فإنه يمكن أن ينتج عنه خسائر كبيرة في التوصيل والتبديل. تعتبر IGBTs السيليكونية التقليدية ناضجة وموثوقة، ولكن سلوك التبديل الخاص بها يمكن أن يحد من الكفاءة عند ترددات التشغيل الأعلى.
يمكن أن توفر دوائر SiC MOSFET ما يلي:
يعتمد التحسين الفعلي للكفاءة على سرعة السيارة، وحمل المحرك، واستراتيجية التبديل، وتصميم التبريد، ودورة القيادة. لا يضمن SiC زيادة ثابتة في نطاق القيادة، ولكن تقليل خسائر العاكس يمكن أن يحسن الاستخدام العام للطاقة.
غالبًا ما تكون الفائدة ذات قيمة خاصة أثناء التشغيل بالحمولة الجزئية، والقيادة على الطرق السريعة وغيرها من الظروف التي تؤثر فيها كفاءة إلكترونيات الطاقة بقوة على إجمالي استهلاك السيارة.
يقوم الشاحن الموجود على متن الطائرة، أو OBC، بتحويل كهرباء التيار المتردد الخارجية إلى كهرباء تيار مستمر يمكن التحكم فيها لشحن بطارية الجر.
قد تشمل مراحل تحويل الطاقة ما يلي:
يمكن استخدام وحدات SiC MOSFET وثنائيات SiC Schottky في تصحيح معامل القدرة ومراحل DC-DC. تتيح قدرة التبديل عالية التردد للمهندسين تقليل حجم بعض المحولات والمحاثات والمكثفات.
تشمل فوائد OBC المحتملة ما يلي:
قد تدعم أجهزة الشحن ثنائية الاتجاه أيضًا التشغيل من السيارة إلى الشبكة، أو من السيارة إلى المنزل، أو من السيارة إلى التحميل. تتطلب هذه الوظائف تحويلًا فعالاً للطاقة ثنائي الاتجاه وتمثل تطبيقًا محتملاً آخر لمفاتيح SiC.
ومع ذلك، لا يزال اختيار المكونات يعتمد على قوة الشاحن، وطوبولوجيا التبديل، والجهد، والمتطلبات الحرارية والتكلفة المستهدفة.
تحتوي السيارة الكهربائية عادةً على أنظمة كهربائية عالية الجهد ومنخفضة الجهد.
قد تعمل بطارية الجر بعدة مئات من الفولتات، بينما تعمل الإضاءة والترفيه وأجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم والإلكترونيات الأخرى عادةً من نظام 12 فولت أو 48 فولت.
يقوم محول DC-DC عالي الجهد بتخفيض جهد بطارية الجر إلى الجهد المنخفض المطلوب. كما أنه يوفر إلكترونيات السيارة ويشحن البطارية ذات الجهد المنخفض.
يمكن استخدام أجهزة SiC في محولات DC-DC عالية الطاقة لتوفير تحويل فعال وتقليل حجم النظام. يمكن أن يدعم أدائها ترددات تحويل أعلى، مما قد يقلل من حجم المكونات المغناطيسية.
ليس كل محول DC-DC للسيارات يتطلب SiC. قد تظل دوائر MOSFET السيليكونية أكثر اقتصادية بالنسبة للمراحل ذات الطاقة المنخفضة أو الجهد المنخفض. تزداد قيمة SiC عندما يجب على المحول التعامل مع جهد الإدخال العالي والطاقة العالية والظروف الحرارية الصعبة.
على عكس محرك الاحتراق الداخلي، لا يمكن للسيارة الكهربائية الاعتماد على حرارة المحرك المهدرة لإدارة جميع متطلبات درجة حرارة المقصورة والبطارية. ولذلك تلعب الضواغط الكهربائية والمضخات الحرارية ومضخات التبريد وسخانات الجهد العالي دورًا مهمًا في الإدارة الحرارية للمركبة.
يحتوي ضاغط تكييف الهواء الكهربائي على محرك وعاكس يتحكم في المحرك. يمكن استخدام وحدات SiC MOSFET في محولات الضاغط ذات الجهد العالي المحددة لتقليل فقدان الطاقة وتحسين الأداء في درجات الحرارة العالية.
تشمل المزايا المحتملة ما يلي:
التطبيق أقل عالمية من عاكس الجر. يعتمد ما إذا كان SiC مبررًا اقتصاديًا على قوة الضاغط، وجهد التشغيل، والتصميم الحراري ومكاسب الكفاءة المتوقعة.
قد تظهر أيضًا أجهزة طاقة SiC في أنظمة مساعدة عالية الجهد محددة، بما في ذلك:
لا تزال العديد من هذه الأنظمة تستخدم أجهزة السيليكون. من الأرجح أن يتم اختيار SiC عندما يبرر الجهد العالي أو تردد التبديل العالي أو التغليف المدمج أو متطلبات التبريد المنخفضة التكلفة الإضافية للجهاز.
لا يتم تركيب شاحن سريع يعمل بالتيار المستمر داخل السيارة، ولكنه جزء مهم من النظام البيئي لطاقة السيارة الكهربائية.
تعمل أجهزة الشحن السريعة على تحويل التيار المتردد للشبكة إلى تيار مستمر عالي الجهد منظم، والذي يتم توصيله مباشرة إلى بطارية الجر. مع زيادة طاقة خرج الشاحن، يجب أن تتعامل وحدات التحويل مع الفولتية العالية والتيارات والأحمال الحرارية.
يمكن أن تساعد وحدات SiC MOSFET والثنائيات في وحدات الشحن على تحقيق ما يلي:
لا يحدد استخدام SiC سرعة الشحن بشكل مستقل. يعتمد الحد الأقصى لمعدل الشحن أيضًا على بطارية السيارة وحالة الشحن ودرجة حرارة البطارية وبروتوكول الشحن وسعة الكابل واستراتيجية الإدارة الحرارية.
تسمح زيادة جهد نظام البطارية للمركبة بنقل نفس الطاقة بتيار أقل.
يمكن للتيار المنخفض أن يقلل من خسائر المقاومة في الكابلات وقضبان التوصيل والتوصيلات الكهربائية. وقد يدعم أيضًا طاقة شحن أعلى دون الحاجة إلى زيادة مفرطة في حجم الموصل.
ومع ذلك، فإن الجهد العالي للنظام يفرض متطلبات أكثر تطلبًا على:
يحتوي كربيد السيليكون على مجال كهربائي حرج أعلى بكثير من السيليكون. وبالتالي يمكنها دعم أجهزة الطاقة ذات الجهد العالي مع فقد منخفض نسبيًا في التحويل والتوصيل.
وهذا يجعل SiC جذابًا بشكل خاص لمحولات الجر فئة 800 V، وأجهزة الشحن المدمجة ومحولات DC-DC. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل اعتماد SiC غالبًا ما يبدأ بمنصات المركبات عالية الجهد والأداء.
لا يتم عادةً تركيب رقاقة SiC الخام مباشرة في السيارة الكهربائية. ويجب أن تمر بعدة مراحل تصنيعية.
تتم معالجة مادة مصدر SiC عالية النقاء في درجات حرارة عالية جدًا لتكوين كرة SiC أحادية البلورة.
يتم توجيه الكرة وتقطيعها وطحنها وصقلها وتنظيفها لإنتاج ركائز SiC. بالنسبة لأجهزة الطاقة الخاصة بالسيارات، يتم استخدام 4H-SiC بشكل شائع.
يتم زراعة طبقة الفوقي SiC الخاضعة للرقابة على الركيزة المصقولة. تم تصميم سمكها وتطعيمها وفقًا لجهد الجهاز والأداء الكهربائي المطلوب.
تعمل عمليات أشباه الموصلات على مستوى الرقاقة على إنشاء وحدات MOSFET من SiC أو صمامات ثنائية شوتكي أو أجهزة طاقة أخرى.
يتم تقطيع الأجهزة وتوصيلها كهربائيًا وتجميعها في حزم منفصلة أو وحدات طاقة. قد تشتمل الوحدة النهائية على قوالب أشباه الموصلات، والموصلات المعدنية، والركائز الخزفية، والألواح الأساسية، وواجهات التبريد.
يتم دمج الأجهزة أو الوحدات المعبأة في العاكس أو الشاحن أو المحول. يجب تحسين برامج تشغيل البوابة وقضبان التوصيل والمكثفات وأنظمة التبريد وبرامج التحكم لتتناسب مع السلوك الكهربائي لـ SiC.
يمكن لوحدات SiC MOSFETs التبديل بكفاءة أكبر من وحدات IGBTs السيليكونية في العديد من التطبيقات ذات الجهد العالي. انخفاض فقدان التبديل يقلل من الطاقة المهدرة وتوليد الحرارة.
يمكن أن يؤدي ارتفاع تردد التشغيل إلى تقليل حجم المحولات والمحاثات والمكثفات المحددة. ومع ذلك، فإن التردد العالي يزيد أيضًا من أهمية التداخل الكهرومغناطيسي والتحكم في تخطيط الدائرة.
تدعم فجوة النطاق الواسعة لـ SiC التشغيل في ظل ظروف درجات الحرارة الأكثر تطلبًا. لا تزال درجة الحرارة القصوى العملية محدودة بسبب التعبئة والتغليف والوصلات البينية وبرامج تشغيل البوابة ومتطلبات موثوقية النظام.
يسمح انخفاض الخسارة وتردد التبديل الأعلى بمعالجة المزيد من الطاقة ضمن حجم أصغر عندما يتم تصميم النظام الكامل وفقًا لذلك.
يعتبر SiC مناسبًا تمامًا لفئات الجهد المستخدمة في أنظمة الجر والشحن الحديثة للمركبات الكهربائية، وخاصة المنصات ذات الجهد العالي.
يمكن لـ SiC تقليل خسائر تحويل الطاقة، ولكن لا توجد نسبة مئوية عالمية تزيد من مدى السيارة.
النتيجة تعتمد على:
قد يستخدم المصنعون ميزة الكفاءة بطرق مختلفة. قد يؤدي أحد التصميمات إلى توسيع نطاق القيادة، بينما قد يقلل الآخر من سعة البطارية أو يقلل من حجم نظام التبريد أو يزيد من أداء السيارة.
ولذلك ينبغي تقييم SiC على مستوى النظام وليس فقط من خلال مقارنة مواصفات أشباه الموصلات الفردية.
يقدم كربيد السيليكون أداءً قويًا، ولكنه يقدم أيضًا تحديات تقنية وتجارية.
يعد نمو بلورات SiC ومعالجة الرقائق أكثر صعوبة من تصنيع السيليكون التقليدي. وهذا يساهم في ارتفاع تكاليف الركيزة والأجهزة.
يمكن أن تؤثر الأنابيب الدقيقة والخلع وأخطاء التراص والخدوش السطحية والأضرار تحت السطح على النمو الفوقي وإنتاجية الجهاز. تتطلب تطبيقات السيارات اتساقًا صارمًا للمواد وإمكانية التتبع.
تتحول وحدات SiC MOSFET بسرعة وتتطلب محركات بوابة مصممة بعناية ودوائر حماية وتحكم في التبديل.
إن التحولات السريعة للتيار والجهد تجعل تخطيط الوحدة وتصميم شريط التوصيل وتحريض الحزمة أمرًا مهمًا بشكل خاص.
يمكن أن تؤدي سرعات التبديل الأعلى إلى خلق تحديات التوافق الكهرومغناطيسي إذا لم يتم تصميم نظام الطاقة الكامل بشكل صحيح.
قد تتطلب أجهزة SiC اكتشاف الأخطاء والحماية بشكل أسرع من أجهزة IGBT المصنوعة من السيليكون التقليدية، اعتمادًا على تصميم الجهاز والنظام.
بالنسبة للأنظمة ذات الجهد المنخفض أو الحساسة للتكلفة، قد تظل دوائر MOSFET السيليكونية وIGBTs توفر أفضل توازن بين الأداء والنضج والتكلفة.
تؤثر جودة الركيزة SiC بشكل مباشر على النمو الفوقي وتصنيع الجهاز. عند تحديد مصادر الرقائق لتطوير أشباه موصلات طاقة السيارات، يجب على المشترين تحديد أكثر من قطر الرقاقة وسمكها.
تتضمن معلمات طلب عرض الأسعار الهامة ما يلي:
لا ينبغي التعامل مع رقائق الأبحاث والرقائق الوهمية والركائز المخصصة للأجهزة كمواد قابلة للتبديل. يجب اختيار الدرجة الصحيحة وفقًا للتصنيف أو تطوير العملية أو معايرة المعدات أو متطلبات إنتاج الجهاز.
يستخدم كربيد السيليكون في المقام الأول في أنظمة تحويل الطاقة ذات الجهد العالي للسيارات الكهربائية. أهم تطبيقاته هو عاكس الجر، يليه الشواحن الموجودة على متن الطائرة، ومحولات DC-DC عالية الجهد وأنظمة الإدارة الحرارية أو أنظمة الطاقة المساعدة المختارة.
تعمل أجهزة SiC كمفاتيح إلكترونية عالية السرعة. فهي لا تقوم بتخزين الطاقة أو قيادة السيارة ميكانيكيًا بشكل مباشر. وبدلاً من ذلك، فإنها تتحكم في كيفية انتقال الطاقة الكهربائية بين البطارية والمحرك ومدخل الشحن وإلكترونيات السيارة.
إن فقدان التبديل المنخفض، وقدرتها على الجهد العالي وإمكانية زيادة كثافة الطاقة يجعلها جذابة بشكل خاص للسيارات الكهربائية عالية الأداء و800 فئة V. ومع ذلك، تعتمد القيمة النهائية على تصميم النظام الكامل، بما في ذلك التغليف، وقيادة البوابة، والتبريد، والحماية، والتوافق الكهرومغناطيسي.
مع استمرار الأنظمة الكهربائية للمركبات الكهربائية في التحرك نحو الجهد العالي والشحن الأسرع وإلكترونيات الطاقة الأكثر إحكاما، من المتوقع أن يلعب كربيد السيليكون دورًا متزايد الأهمية إلى جانب أجهزة السيليكون التقليدية.
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
Türkçe
polski