תעשיית הרכב צועדת כיום בדרכה לעתיד בר-קיימא, ומציגה מספר הולך וגדל של כלי רכב היברידיים (HEV) וחשמליים-לחלוטין (EV), וכן מכוניות המופעלות על ידי תאי דלק. החשמול של פונקציות קריטיות דורש פתרונות אמינים להנעה, לחלוקה ולבקרה של מערכות עתירות-הספק. ככל שכמות האנרגיה החשמלית שאותה מאחסן הרכב ושבה הוא משתמש הולכת וגדלה, כך גדל הצורך בצפיפות וביעילות של ההספק. ניטור ובקרה אפקטיביים הם חיוניים לתפעול יעיל ואמין של תת-מערכות חשמליות. ספקי מוליכים-למחצה כגון Microchip מציעים תיק מוצרים רחב של חומרה ותוכנה, כלי פיתוח משולבים ופתרונות הספק עתירי-יעילות המתאפשרים על ידי סיליקון קרביד (SiC) במטרה לקדם חדשנות במערכות EV ו-HEV.
המתכננים של תת-מערכות ברכב שואפים ללא הרף לפתח פתרונות חדשניים להרחבת הטווח ולהפחתת משך הטעינה של EVs. בדרך להשגת יעדים אלה, הם דוחפים את הטכנולוגיות מבוססות-הסיליקון קרוב למגבלות הפיזיות שלהן מבחינת גודל, משקל וניצולת הספק, ועוברים כיום לפתרונות SiC כדי לעמוד באתגרים אלה. בהשוואה לסיליקון, התקני SiC מציעים התנגדות ON נמוכה יותר, מהירויות מיתוג מהירות יותר, ויכולת לעמוד במתחים ובזרמים גבוהים יותר בטמפרטורות צומת גדולות יותר. אחד היתרונות החשובים של SiC הוא גודלו הקטן יותר, דבר שמאפשר צפיפות הספק רבה יותר ושהוא קריטי ביישומי EV חשובים רבים. אין זה מפתיע ששוק הרכב של מוליכים-למחצה SiC עתירי-הספק מסוג widebandgap (או WBG) צפוי עד 2030 לגדול פי שלוש-עשרה משוויו הנוכחי של מיליארד דולר, זאת על פי Omdia (דוח מאמצע 2022, על מוליכים-למחצה מבוססי-SiC ועתירי-הספק בחתך יישומים – SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report).
המגמה לכיוון מתחים גבוהים יותר כגון 800V ב-EVs דוחפת תכנונים חדשים של ממירי DC-AC, (traction converters), ממירי DC-DC, מטעֵנים מובנים ומדחסים עבור משאבות חום ותאי דלק. ה-SiC MOSFET במתח גבוה והביצועים הקשוחים של הדיודה מתאימים במיוחד ל-EVs, ובאופן ספציפי ליישומים מסחריים ויישומי שטח שבהם הזמינות היא העיקר.
יהיה צורך גם לדאוג לכך שתשתית רשת הטעינה של 400V עבור כלי רכב מיינסטרימים תוכל לטפל גם בתכנוני הרכב החדשים המבוססים על 800V. הצורך ההולך וגובר במתחים גבוהים דוחף את פיתוח מודולי הבוסטר DC-DC במכונית, שמטרתם לחבר בין מסילות המתח.
טכנולוגיית SiC יכולה גם לפעול כאלמנט המיתוג במפסק זרם של מצב מוצק, או ב-E-Fuse, כדי להגן על הרכיבים החשמליים ברכב ולאבחן אירועי תקלה עוד לפני שהם הופכים לתקלה קשה. ניתן לחסוך בזמני השבתה לצורך תיקונים ובעלויות שלהם על ידי שיפור האבחון ואפשרויות הגדרת התצורה בהשוואה לפתרונות מכניים.
בו-בזמן יש ביקוש לתשתיות טעינה DC מהירות כדי לטעון את הרכב בזריזות. זה חשוב במיוחד עבור יישומים מסחריים, החל ממשאיות ואוטובוסים וכלה בציוד כרייה ובניין שחייבים לפעול כמה שיותר זמן.
מפסקי זרם של מצב-מוצק
השימוש ב-SiC עבור מעגל מפסק זרם של מצב-מוצק מוסיף מספר יתרונות בהשוואה לפתרונות מפסקי זרם מסורתיים. הטכנולוגיה הזו מאפשרת מיתוג מהיר באמצעות פרופיל הפעלה (trip) הניתן להגדרה דרך תוכנה, למשל דרך ממשק LIN, כדי להפסקת מעגל תוך מיקרו-שניות, 100–500 מהר יותר מהגישות המכניות המסורתיות, זאת הודות לתכנון מבוסס המצב-המוצק והמתח הגבוה שלה.
את ה-E-Fuse ניתן לאפס כדי למנוע את הצורך בהחלפת נתיכים פיזיים, דבר שמציע פתרון אמין לטווח ארוך במקרים שבהם המעגל מופסק לעיתים תכופות. השימוש בפתרון ה-E-Fuse של מצב-מוצק מבטל את הסיכון הפוטנציאלי לקשת חשמלית בעת מיתוג מזרמי DC במתח גבוה למגעים מכניים.
מדגים טכנולוגיות ה-E-Fuse של Mircochip, עם מתגי ™mSiC במתח 700V ו-1200V, משלב חיישן זרם, מגברים, ממשק LIN ומיקרו-בקר8-bit PIC™ המכיל ציוד היקפי בלתי-תלוי בליבה כדי לספק פתרון מלא ומשולב במידה גבוהה. כל הרכיבים זמינים עם הסמכת AEC לתחום הרכב. תכן זה מיישם עקומת זמן-זרם אופיינית (TCC) שעוזרת למתכננים במעבר מנתיכים או קונטקטורים מסורתיים, ומכילה זמן עמידות לקצר (short-circuit withstand time) של עד 10 מיקרו-שניות, עם זרם נקוב של עד 30A.
טעינה מהירה
EVs, רכבים מסחריים ורכבי שטח דורשים יכולת טעינה מהירה. בעוד שניתן לטעון מכונית בחניה פרטית במשך הלילה, הרי שאוטובוסים וציוד בנייה חייבים לפעול ביעילות במשך כל היום או הלילה. האחרונים עוברים לערכות סוללות של 800V ואף של 1000V כדי לספק את רמות ההספק הדרושות לכלי רכב גדולים יותר עם מטען רב יותר.
תכנוני המטען המובנה האלה דורשים רמות גבוהות יותר של הספק, וטכנולוגיית ה-SiC מציעה פתרון אופטימלי לכך. התקנים הדורשים 1200V ואף 1700V מציעים למפתחים שולי תכן רחבים יותר. זה יכול להיתרגם לביצועי שיא גבוהים יותר עבור הרכב, פחות יתירות וייצור קל יותר של אלמנטים ברכב.
המשמעות של היעילות הגבוהה יותר של ה-SiC בהשוואה ל-IGBT מסיליקון היא הצורך בגופי קירור (heatsinks) קטנים יותר, וכך ניתן להפחית את משקל הרכב.
יש מדגים טכנולוגיה זמין של מטען DC-DC מבודד עם הספק של 30kW, המבוסס על 1200V mSiC MOSFETs בדירוג-מפולת שלגים ועל דיודות 1200V dual mSiC. התכן הזה מפגין מעל 98% יעילות שיא, מתח כניסה של 650V–750V ומתח יציאה של 150V–600V עם זרם מרבי של 50A–60A ובתדירות מיתוג של 140kHz. מתווה המעגל המודפס עבר אופטימיזציה לטובת בטיחות, זרם, סטרס מכני וחסינות מפני רעש.
איור 2 ממיר 30kW SiC DC-DC
בנוסף, יש תכן ייחוס זמין של Three-Phase 30kW PFC (Power Factor Correction) בטופולוגיה של Vienna, בהתבסס על התקני SiC. בדרך כלל יש צורך ב-PFCs כדי לבצע את ההמרה מ-AC ל-DC ולשמור על הסטת המופע של זרם הכניסה AC כך שתהיה בתוך מגבלות מוגדרות היטב כנגד מתח הכניסה AC, וכך ניתן להבטיח near-unity power factor ועיוות הרמוני כולל (THD) נמוך.
בעתיד, הזנת אנרגיה מתוך ערכת הסוללות של הרכב בחזרה לרשת החשמל תהיה אופציית חובה. ניתן להדגים יכולת זו של טעינה דו-כיוונית על ידי תכן אחר של 1kW SiC-based PFC בסכמת Totem-Pole.
ניתן לשלב באופן מודולרי הן את ה-DC-DC והן את ה-PFC.
איור 3 תכן ייחוס של 30kW Vienna PFC
אבני בניין של תשתית מטעֵן עד 150kW
סיליקון קרביד הוא גם המפתח לתשתית הטעינה. אותם יתרונות של מתחים וזרמים גבוהים, בשילוב של יעילות רבה יותר עבור אלמנטי הקירור הקטנים יותר, מובילים לתכן קטן יותר של המטעֵנים. אם כי גודל המטען אינו כה קריטי עבור כלי רכב מסחריים ורכבי שטח המאוחסנים במגרש הצי למשך הלילה, הוא רלוונטי עבור מטעני DC הדו-כיווניים שזוכים ביותר ויותר פופולריות.
איור 4 תשתית הטעינה
באופן דומה, מטעני DC ציבוריים ברמה 3 עוקפים את המטען המובנה (OBC) של הרכב, ומתחברים ישירות לטעינה של הסוללה דרך מערכת ניהול הסוללה (BMS) של ה-EV. עקיפת ה-OBC מאפשרת קצבי טעינה גבוהים יותר, כאשר הספק היציאה של המטען הוא בין 50 ל-350kW.
משמעות השימוש בגישה מבוססת-תכן מודולרי היא front end PFC שמשמש להמרת AC-DC, לעיתים קרובות ממתחים גבוהים יותר כגון 480V, עם סדרה של מודולים של ממירי DC-DC מבודדים המחוברים במקביל כדי לספק מתח לרכב.
גישת התכן הזו מאפשרת פיתוח של מגוון מטענים מתוך המודולים הבסיסיים כדי לעמוד בדרישות השונות של מפעיל הרכב. ככל שצורכי כלי הרכב מתפתחים בהדרגה, ודורשים יותר הספק עבור טעינה מהירה יותר, כך ניתן גם לגוון את תשתית הטעינה באמצעות שימוש בהתקני SiC. גישה זו משמשת למערכות טעינה מהירה עד 150kW ולמערכות עתירות-ביצועים אף יותר.
השימוש בניהול הספק דיגיטלי והשילוב של SiC MOSFETs ודיודות מאפשרים תכן שמציע יעילות ושילוב באיכות גבוהה, צפיפות עתירת-הספק, לולאות בקרה דיגיטליות מתקדמות וגמישות מורחבת, בטופולוגיות הספק שונות, לצורך יישומי טעינה DC מהירים. ניתן לחבר אלמנטים אלה להתקנים אנלוגיים, התקני ניהול הספק, קישוריות אלחוטית וקווית, מדידת ניצול באנרגיה, זיכרון, אבטחה וממשק אדם-מכונה (HMI) כדי לקבל תכן טעינה מהירה של L3 DC.
מסקנה
פתרונות wide bandgap כגון SiC הם המפתח ל-E-Mobility, ומאפשרים רמות גבוהות יותר של יעילות, צפיפות ואמינות של המרת מתח.
Microchip יכולה לעזור לאנשי תכן לאמץ את סיליקון קרביד בקלות, במהירות ובביטחון בעזרת מוצרי ופתרונות ההספק של ™mSiC.
תיק המוצרים הזה כולל פנלים חשופים, חלקים בדידים ומודולים של SiC מ-700V ועד 3.3kV.
איור 5 מתבניות SiC, חבילות פנלים בצורת “ופלות”, וחבילות SMD או Through-Hole-Packages עד למודולי הספק מלאים.
בנוסף לכך, תיק המוצרים המלא מכיל MPUs, MCUs, שבבי ®Wi-Fi® /Bluetooth ומדידה, וכן ממשק משתמש מבוסס-מסך מגע גרפי עבור יישומים בתוך עמדות טעינה. בצד הרכב ניתן למנות בין השאר בקרי אותות דיגיטליים בדרג תעשיית הרכב, רכיבי רשת-בתוך-הרכב ומנהלי התקן.
הפתרון המקיף כולל גם סוויטות תוכנה לטיפול באלגוריתמים לבקרת-הספק משופרים עבור motor- and switch mode, וכן אזורי אחסון תוכנה לרכב וספריות אבחונים לבטיחות פונקציונלית.
תמונת כותרת: E-Fuse מבוסס-SiC
