اتصال کوتاه

.

.

در یک پروژه مشترک میان مؤسسه فراونهوفرIZM¹، شرکت‌های پورشه² و بوش³، «مبدل جریان» (اینورتر⁴) جدیدی با عنوان «توان مداوم⁵» طراحی شده است که به لطف عملکرد ترانزیستورهای مبتنی بر «سیلیکون کاربید»⁶ و بهره‌گیری از فن‌آوری چاپ سه‌بعدی، توان مداوم ۶۰۰ کیلووات را فراهم می‌کند و در عین حال از نظر حرارتی پایدار باقی می‌ماند. آیا این می‌تواند جهشی فناورانه در مسیر پیشرفت خودروهای برقی باشد؟

خودروهای برقی بدون «مبدل جریان» که ستون فقرات هر پیشرانه الکتریکی است، احتمالاً تقریباً بی‌حرکت خواهند بود. این مبدل، جریان مستقیم (DC) ذخیره‌شده در باتری را به جریان متناوب سه‌فاز تبدیل می‌کند تا موتورهای الکتریکی نیرومند را تغذیه کند. هرچه توان الکتروموتور بیشتر باشد، جریان بیشتری باید تبدیل شود - و در نتیجه، مسایلی مانند بالارفتن تلفات انرژی، تولید حرارت بیش‌تر و همچنین اندازه و حجم و وزن تجهیزات اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. بنابراین، بهره‌وری مبدل جریان (نسبت توان ورودی به توان خروجی آن) مستقیماً بر عملکرد پیشرانه تأثیر می‌گذارد.

هرچه تلفات تبدیل کمتر باشد، برد پیمایش خودرو با یک بار شارژ باتری‌ها بیشتر خواهد بود. علاوه بر آن، در دسترس بودن سریع جریان از طریق این مبدل، روی دینامیک رانندگی و تجربه کلی راننده تأثیر دارد. از آنجا که خودروهای برقی معمولاً وزن زیادی دارند، کاهش وزن سامانه‌ها بسیار حیاتی است. به طور خلاصه: تحول در حوزه خودروهای برقی هنوز به پایان نرسیده است. این امر به‌وضوح در توسعه‌ی تجهیز «توان مداوم» توسط این سه موسسه‌ی فن‌آور همکار در این پروژه مشهود است.

.

.

معیارهای جدید در طراحی «توان مداوم»

در نتیجه این همکاری، مبدل جریان «توان مداوم» ساخته شده است که می‌تواند توان مداوم ۶۰۰ کیلووات (تقریباً معادل ۸۱۵ اسب بخار) و توان لحظه‌ای تا ۷۲۰ کیلووات (حدود ۹۷۹ اسب بخار) را ارائه دهد. طبق گفته مؤسسه فرانهوفر، «این مقدار نه‌تنها بیش از ۱.۵ برابر بیشتر از وارونگرهای رایج در کامیون‌های ۴۰ تنی است، بلکه معیارهای جدیدی را نیز در حوزه خودروهای اسپرت برقی ایجاد می‌کند». برای تحقق این ویژگی‌ها، از فناوری نیمه‌رسانه‌های سیلیکون کاربید (SiC) استفاده شده و همچنین یک سامانه خنک‌کننده‌ی نوین طراحی شده است.

.

نقش کلیدی نیمه‌رسانا‌های SiC

توانمندی این وارونگر مبتنی بر ترانزیستورهای سیلیکون کاربید است که در مقایسه با نیمه‌رسانه‌های سنتی سیلیکونی، برتری‌هایی چون تحمل دمای بالاتر، تلفات کمتر و طراحی‌های فشرده‌تر را عرضه می‌کنند. با جاسازی مدول‌های نیمه‌رسانا به‌صورت مستقیم درون بورد مدار چاپی، خودالقایی پراکنده⁷ در طراحی مدار به ۱.۱ نانوهانری کاهش یافته که این موضوع به کلیدگری⁸ مؤثرتر و تلفات حرارتی کمتر منجر شده است. در ساخت این مدول‌های نیمه‌رسانا همچنین از «خازن‌های پیوند جریان مستقیم⁹» با چگالی توان بالا بهره‌گیری شده است. این طراحی در کنار فشرده بودن مجموعه، تولید انبوه آن را نیز ساده‌تر می‌کند.

.

.

نوآوری با چاپ سه‌بعدی

سامانه‌ی خنک‌کننده‌ی این وارونگر شامل دو مؤلفه اصلی است: یک واحد گرماگیر مسی که با چاپ سه‌بعدی تولید شده و یک گرماگیر کمکی از جنس آلومینیوم با گردش آب. مس به دلیل رسانایی حرارتی بالاتر انتخاب شده است. قطعات حساس به دما از طریق اتصالات نقره‌ای «زینتر شده¹⁰» مستقیماً به سامانه‌ی خنک‌کننده متصل هستند.

خنک‌سازی آبی با جریان موازی باعث توزیع فشار یکنواخت و افت فشار اندک (۱۵۰ میلی‌بار در جریان ۱۰ لیتر در دقیقه) می‌شود. حتی در شرایط بار مداوم، اختلاف دمای بین بدنه‌ی سامانه‌ی خنک‌کننده و سیال گرماگیر کمتر از ۲۰ درجه کلوین باقی می‌ماند و بیشینه‌ی افزایش دما در خروجی تنها ۴۱ کلوین است که نشان‌دهنده کارایی حرارتی بسیار بالا است.

.

طراحی مدولار و کارآمد

تمام اجزای این وارونگر با یکدیگر هماهنگ شده‌اند و تحت کنترل نرم‌افزاری اختصاصی عمل می‌کنند. طراحی فشرده و مدولار آن، چگالی توان ۲۰۰ کیلوولت‌آمپر در لیتر (حجم وارونگر) را ممکن ساخته که دو تا چهار برابر بیشتر از مبدل‌های متداول سری‌سازی‌شده است. این طراحی مدولار همچنین نگهداری آسان‌تر و امکان تعویض قطعات را فراهم می‌آورد که باعث افزایش عمر و کاهش مصرف منابع می‌گردد. ترکیب فناوری نیمه‌رسانای کارآمد، سامانه‌ی خنک‌کننده‌ی پیشرفته و توان بالا، این مبدل را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای نسل بعدی سیستم‌های پیشرانه برقی تبدیل می‌کند.

.

چند کلمه در مورد نیمه‌رساناهای ساخته‌شده با سیلیکون کاربید (SiC)

نیمه‌رساناهای مبتنی بر کاربید سیلیسیوم نسل جدیدی از افزاره‌های الکترونیک قدرت هستند که به‌دلیل مزایای فنی متعدد، در حال جایگزینی افزاره‌های سیلیکونی معمولی در بسیاری از کاربردهای صنعتی و خودرویی‌اند. ویژگی‌های اصلی آنها عبارتند از:

• تحمل دمایی بالا (بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد)
• تلفات کلیدگری بسیار پایین
• ولتاژ شکست بالا
• بهره‌وری انرژی بیشتر
• ابعاد و وزن کمتر در طراحی نهایی

این نیمه‌رسانا‌ها در وارونگرهای قدرت خودروهای برقی، ایستگاه‌های شارژ سریع، سیستم‌های فتوولتاییک و منابع تغذیه صنعتی نقش کلیدی ایفا می‌کنند. به‌طور خاص در خودروهای برقی، استفاده از SiC باعث افزایش بردپیمایش خودرو، کاهش وزن آن و بهبود پاسخ‌گویی حرارتی و دینامیکی می‌شود.

.

.

پانویس‌ها:
1- Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) : یک موسسه‌ی پژوهش‌های کاربردی آلمانی و زیرمجموعه‌ی ارگان تحقیقاتی بسیار بزرگتری با نام فرانهوفر است. تمرکز فعالیت‌های پژوهشی IZM بر توسعه‌ی حوزه‌های کلیدی همچون علم مواد، الکترونیک و روش‌های تولید است.

2- Porsche

3- Bosch

4- Inverter
5- Dauerpower

6- Silicon Carbid (SiC)

7- Stray Inductance

8- Switching

9- DC-Link Capacitor : خازن‌های DC-Link جایگزین برتر خازن‌های الکترولیتی در مبدل‌های پرقدرت هستند. این خازن‌ها به‌طور ویژه برای کاربرد در فن‌آوری مبدل‌های پرقدرت طراحی شده‌اند که با توجه به نیازمندی‌های فزاینده الکتریکی، به‌تدریج جایگزین خازن‌های الکترولیتی می‌شوند. این خازن‌ها با بهره‌گیری از دی‌الکتریک پلی‌پروپیلن کم‌تلفات، در مقایسه با خازن‌های الکترولیتی دارای برتری‌های زیر هستند:

. قابلیت تحمل جریان بالاتر،

. تلفات/خودگرمایی کمتر در فرکانس‌های بالا.

ویژگی‌های برجسته‌ی این خازن‌ها عبارتند از:

. بهینه‌سازی فضای اشغالی: نسبت ظرفیت/حجم بسیار بالا،

. کاهش تعداد المان‌های سری: ولتاژ نامی بالا در هر المان،

. افزایش راندمان انرژی: ضریب تلفات (ESR) بسیار پایین،

. ایمنی عملیاتی بهتر: مقاومت عایقی بسیار بالا،

. افزایش قابلیت اطمینان: خاصیت خودترمیمی عالی،

. کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری: طول عمر بالا و دوام طولانی،

. نصب بدون درنظرگرفتن پلاریته: ساختار غیرقطبی،

. عملکرد پایدار در شرایط دشوار: پیکربندی اتصال بسیار مطمئن،

. مناسب برای کار در محیط‌های صنعتی: مقاومت بالا در برابر ضربه و ارتعاش و

. تحمل تنش‌های فیزیکی: پایداری مکانیکی استثنایی.

کاربردهای کلیدی:

اینورترهای صنعتی پرقدرت، سیستم‌های توزیع انرژی DC، شارژرهای فوق‌سریع خودروهای الکتریکی، مبدل‌های انرژی بادی و خورشیدی.

این خازن‌ها با ویژگی‌های ممتازی مانند پایداری حرارتی، طول عمر بالا و چگالی توان برتر، راه‌حلی بهینه برای نوسازی و مدرنیزه‌کردن زیرساخت‌های الکتریکی پرقدرت ارایه می‌دهند.

10- Sinter : یک روش آلیاژسازی با استفاده از پودر فلزات در دما و فشار بالا.

.

.

مطالب مرتبط:
پرسش اصلی در بولیوی پس از «اِوو»: لیتیوم
خودروهای برقی: بازگشت دوباره به یک فن‌آوری قدیمی
ممنوع شدن خودروهای بنزینی و دیزلی در نروژ
"لایووایر"، نخستین مدل الکتریکی هارلی دیویدسون
طراحی «اسنابر» برای حفاظت از مدارهای الکترونیک قدرت - بخش 1
.

.

.