نقش IGBTS در پیشرانه وسایل نقلیه الکتریکی: هدایت آینده تحرک

از آنجا که صنعت خودرو به سمت برق شتاب می یابد ، یک فناوری همچنان به سکوت این انقلاب ادامه می دهد: ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق (IGBT). در حالی که باتری ها و موتورها غالباً در وسایل نقلیه برقی (EVS) مورد توجه قرار می گیرند ، این IGBT است که نقش مهمی در پشت صحنه در تبدیل و کنترل انرژی الکتریکی ایفا می کند. بدون آن ، پیشرانه الکتریکی - قلب بسیار یک EV - برای عملکرد کارآمد یا قابل اعتماد تلاش می کند. درک چگونگی کار IGBTS و چرا اهمیت آنها برای قدردانی از موتور واقعی دوره برقی ضروری است.

از احتراق داخلی تا پیشرانه الکتریکی

وسایل نقلیه سنتی به موتورهای احتراق داخلی متکی هستند که سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. در مقابل ، EVS از موتورهای برقی استفاده می شود که از باتری استفاده می شوند. با این حال ، این سوئیچ به سادگی اتصال باتری به موتور نیست. موتورها برای کارآیی کارآمد به جریان متناوب (AC) نیاز دارند ، در حالی که باتری ها جریان مستقیم (DC) را ذخیره می کنند. پل زدن این شکاف نیاز به الکترونیک برق دارد ، زمینه ای که به تبدیل ، کنترل و مدیریت انرژی الکتریکی می پردازد. در هسته این زمینه در EVS IGBT قرار دارد.

IGBTS به عنوان سوئیچ های الکترونیکی در پیشرانه EV ، به ویژه در اینورتر عمل می کند ، که DC را از باتری به AC تبدیل می کند. آنها امکان سوئیچینگ سریع در ولتاژها و جریان های بالا را فراهم می کنند و امکان کنترل سرعت ، گشتاور و کارآیی موتور را به طور دقیق امکان پذیر می کنند - در عین حال از دست دادن انرژی.

IGBT چیست؟

یک ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق ، دو فناوری اصلی ترانزیستور را ترکیب می کند: MOSFET (ترانزیستور-اثر فلزی-اکسید-نیمه هادی میدان) و BJT (ترانزیستور اتصال دو قطبی). نتیجه دستگاهی است که دارای سادگی ورودی و سرعت سوئیچینگ سریع یک MOSFET ، همراه با ظرفیت بالای جابجایی جریان BJT است.

از نظر ساختاری ، یک IGBT دارای سه پایانه است: دروازه ، جمع کننده و امیتر. یک ولتاژ کوچک در دروازه جریان بسیار بیشتری را بین جمع کننده و انتشار دهنده کنترل می کند. این طرح باعث می شود IGBT ها به ویژه برای برنامه های کاربردی که نیاز به ولتاژ بالا و جریان دارند ، در پیشرانه های وسایل نقلیه الکتریکی مناسب باشد.

اینورتر: جایی که igbts وزنه برداری سنگین را انجام می دهد

اینورتر کشش جایی است که IGBT ها مهمترین نقش خود را انجام می دهند. این ولتاژ DC را از باتری (به طور معمول بین 300 ولت و 800 ولت) به ولتاژ AC سه فاز تبدیل می کند که موتور را قدرت می دهد. اینورتر این کار را از طریق مدولاسیون عرض پالس (PWM) به دست می آورد ، تکنیکی که IGBT ها به سرعت روشن و خاموش می شوند - اغلب ده ها هزار بار در ثانیه.

اینورتر با تنظیم چرخه وظیفه این پالس ها ، شکل موج را شکل می دهد که قدرت AC سینوسی را شبیه سازی می کند. این فرایند نه تنها دقیق بلکه کارآمد است. هر بار که IGBT تغییر می کند ، از بین رفتن انرژی کمی به شکل گرما وجود دارد. کاهش این تلفات برای به حداکثر رساندن دامنه و عملکرد وسیله نقلیه ضروری است.

ماژول های پیشرفته IGBT برای EVS با قطره ولتاژ کم حالت (کاهش تلفات هدایت) و رفتار سوئیچینگ بهینه شده برای به حداقل رساندن تلفات سوئیچ طراحی شده اند. در رانندگی در دنیای واقعی ، این به معنای شتاب نرم تر ، ترمز بهتر احیا کننده و انرژی کمتری است.

ولتاژ بالا ، جریان زیاد ، انتظارات زیاد

وسایل نقلیه الکتریکی اجزای لازم را دارند که می توانند استرس الکتریکی شدید را تحمل کنند. پیشرانه در یک EV مدرن ممکن است صدها آمپر جریان را در حین شتاب جلب کند و در ولتاژهای بیش از 600 ولت کار کند. IGBT ها به لطف:

• ظرفیت مسدود کردن ولتاژ بالا  (به طور معمول 600 ولت -1700 ولت)

• چگالی جریان بالا ، و آنها را فشرده و در عین حال قدرتمند می کند

• عملکرد حرارتی قوی ، تحمل گرمای تولید شده در حین کار

بیشتر ماژول های IGBT برای EV ها در ماژول های برق که شامل چندین IGBT ، دیودهای آزاد ، درایورهای دروازه و حتی سنسورهای حرارتی است ، ادغام می شوند. این ماژول ها به گونه ای طراحی شده اند که محیط سخت خودرو - لرزش ، دوچرخه سواری دما و محدودیت های فضا - در حالی که عملکرد الکتریکی بهینه را ارائه می دهند.

ترمز احیا کننده و جریان برق دو طرفه

IGBT ها همچنین برای یکی دیگر از فناوری های اصلی EV مهم هستند: ترمز احیا کننده. در این حالت ، موتور الکتریکی به عنوان ژنراتور عمل می کند و انرژی جنبشی وسیله نقلیه را در طی کاهش سرعت به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. الکترونیک برق باید جهت جریان انرژی را معکوس کند - از موتور به باتری.

IGBTS این جریان جریان دو طرفه را از طریق سوئیچینگ کنترل شده تسهیل می کند. توانایی آنها در روشن و خاموش کردن سریع و رسیدگی به سنبله های بزرگ جریان ، امکان بهبود انرژی کارآمد ، بهبود دامنه رانندگی و کاهش سایش در اجزای ترمز مکانیکی را فراهم می کند.

مدیریت حرارتی: خنک نگه داشتن تحت فشار

در حالی که IGBT ها کارآمد هستند ، آنها هنوز هم گرما تولید می کنند ، به خصوص در هنگام سوئیچینگ سریع یا تحت بارهای جریان زیاد. مدیریت حرارتی از این رو یک جنبه مهم از برنامه IGBT در EVS. گرمای بیش از حد می تواند باعث کاهش عملکرد یا منجر به خرابی شود ، بنابراین از راه حل های پیشرفته خنک کننده استفاده می شود:

• بسترهای سرامیکی نیترید آلومینیوم  برای هدایت حرارتی بالا

• پایه های مایع خنک شده  در ماژول های با قدرت بالا

• سنسورهای حرارتی یکپارچه  برای نظارت بر دما در زمان واقعی

IGBT ها اغلب با مواد رابط حرارتی و پخش کننده های گرما همراه هستند تا از عملکرد مداوم در تمام شرایط رانندگی اطمینان حاصل کنند-از ترافیک توقف و حرکت گرفته تا شتاب کامل در بزرگراه.

رقابت: IGBTS در مقابل SIC MOSFETS

با تکامل فناوری ، MOSFET های کاربید سیلیکون (SIC) به عنوان رقیبان بالقوه برای IGBTS در برنامه های EV ظاهر شده اند. دستگاه های SIC سرعت سوئیچینگ سریعتر ، ضرر کمتری و عملکرد بهتر در دماهای بالا را ارائه می دهند. با این حال ، آنها به طور قابل توجهی گران تر و در تولید در مقیاس بزرگ بالغ هستند.

در حال حاضر ، IGBT ها در انتخاب EV و هیبریدهای میان رده ، به ویژه در مواردی که راندمان هزینه بسیار مهم است ، همچنان انتخاب غالب باقی مانده است. بسیاری از EV های حق بیمه شروع به اتخاذ MOSFET های SIC ، به ویژه برای معماری 800 ولت می کنند ، اما IGBT ها هنوز هم در سیستم های 400 ولت که در بسیاری از EV های جریان اصلی رایج است ، مورد استفاده قرار می گیرد.

راه حل های یکپارچه و ماژول های هوشمند

برای ساده سازی طراحی و بهبود قابلیت اطمینان ، پیشرانه های مدرن EV به طور فزاینده ای از ماژول های قدرت هوشمند مبتنی بر IGBT (IPM) استفاده می کنند. این ماژول ها با هم ترکیب می شوند:

• IGBTS و درایورهای دروازه

• حفاظت از تراشه (در برابر ولتاژ ، بیش از حد و بیش از حد)

• قابلیت های تشخیصی و بازخورد

• فیلتر کردن EMI و بسته بندی جمع و جور

این ادغام به کاهش پیچیدگی سیستم کمک می کند ، نرخ خرابی را کاهش می دهد و سهولت تولید را بهبود می بخشد - برای تولید Mass EV.

ماندگاری ، قابلیت اطمینان و ایمنی

در محیط های خودرو ، قابلیت اطمینان غیر قابل مذاکره است. ماژول های IGBT تحت آزمایش صلاحیت دقیق ، از جمله دوچرخه سواری حرارتی ، مقاومت در برابر رطوبت ، آزمایش لرزش و سناریوهای استرس ولتاژ بالا قرار دارند. مکانیسم های شکست آنها به خوبی درک شده است و می توانند بیش از یک دهه با مدیریت حرارتی مناسب با اطمینان عمل کنند.

علاوه بر این ، ویژگی های ایمنی داخلی مانند محافظت از مدار کوتاه ، تشخیص دفع اشباع و مکانیسم های خاموش خاموش اطمینان حاصل می کنند که حتی در شرایط گسل ، IGBT ها با لطف و محافظت از وسیله نقلیه و مسافران آن محافظت می کنند.

رانندگی آینده تحرک برقی

انتقال به تحرک برقی صرفاً در مورد مبادله موتورها برای موتورها نیست. این شامل تجدید نظر در مورد نحوه مدیریت ، ذخیره و استفاده از انرژی است. IGBTS نقش مهمی در این تحول ایفا می کند. آنها به عنوان دروازه بان انرژی عمل می کنند ، و اطمینان می دهند که هر وات از باتری به طور موثر به حرکت تبدیل می شود - یا در هنگام ترمز ذخیره می شود.

با افزایش پذیرش EV در سطح جهانی ، تقاضا برای الکترونیک قدرت کارآمدتر ، قابل اعتماد و جمع و جور نیز انجام می شود. IGBTS ، به ویژه با نوآوری هایی مانند سازه های دروازه ترانشه و طرح های متوقف شده ، همچنان برای برآورده کردن این خواسته ها تکامل می یابد. آنها ممکن است سرانجام در برخی از برنامه های سطح بالا جایگزین دستگاه های SIC شوند ، اما در حال حاضر ، آنها همچنان اسب کار پیشرانه EV هستند.

پایان

IGBT ها قهرمانان غیرقانونی وسایل نقلیه برقی هستند. آنها چرخ ها را جابجا نمی کنند و انرژی را ذخیره نمی کنند ، اما اطمینان حاصل می کنند که برق دقیقاً و کارآمد از باتری به جاده جریان می یابد. از اینورترهای کشش گرفته تا ترمز احیا کننده ، مدیریت حرارتی گرفته تا ویژگی های ایمنی یکپارچه ، IGBT ها تقریباً هر عملکرد مهم را در یک پیشرانه EV زیربنای قرار می دهند.

از آنجا که دنیای خودرو به سمت انتشار گازهای گلخانه ای صفر و تحرک هوشمندانه تر می رود ، IGBT ها فقط ادامه نمی دهند - آنها این تغییر را انجام می دهند. درک نقش آنها به روشنایی فناوری پیچیده و جذاب کمک می کند که وسایل نقلیه برقی مدرن را نه تنها ممکن ، بلکه قدرتمند ، ایمن و کارآمد می کند.