Өндөр дамжуулалтын давтамжтай шугаман хүчлүүрүүдийн технологийн хөгжил: багасгах ба интеграцилах шинэ чиглэлүүд

Шугаман индукцийн хөдөлгүүрүүдийн хувьд өндөр дамжуулалтын давтамжтай шугаман хүчлүүрүүд яагаад шаардлагатай

Динамик хариу үйлдлийн шаардлагууд: ЛИМ-ийн түлхэлт зохицуулалт яагаад микросекундын хүртэлх гүйдэл зохицуулалтыг шаардаж

Хурдлын хяналтыг нарийвчлан хянахад хязгаарлагдмал хяналтын системийг ашиглах шаардлагатай. Хурдан ±5% хүчтэй урвалт байдаг бол байрлалын нарийвчлал маш их буурах болно. Тийм учраас үйлдвэрлэгчид 2 МГц-ээс дээш ажилладаг өндөр давтамжтай шугамын шугамын шугамыг ашиглаж байна. Эдгээр драйверүүд нь 500 кГц-ээс хол дамнасан урсгалын дундаж урсгалыг бий болгодог. Энэ нь машин хурдан хурдасгах эсвэл удаашруулах үед тэрхүү таагүй түр зуурын шилжилтээс зайлсхийхэд зайлшгүй шаардлагатай юм. Микросекундын хэмжээнд тохируулга хийхгүй бол юу болох вэ гэж бодоод үзээрэй. Резонанс нь машины амьдралыг алдагдуулах, заримдаа 40 хувь хүртэл богино болгох хүчтэй хөдөлгөөн үүсгэдэг. Drive Systems Journal-ийн хүмүүс 2023 онд энэ талаар эрэлтийн болон механик стрессийн туршилтаараа судалж, олон жил инженерүүд төсөөлж байсан зүйлээ баталсан.

Соронзон холбогчийн хязгаарлалт: өндөр давтамжийн шугаман зохицуулалт ашиглан вихрь-гүйдэл алдагдуулалтыг багасгах, байрлал хамааралт индукцлэл өөрчлөлтийг багасгах

Шугаман индукцийн хөдөлгүүрүүдэд агаарын зазайн урсгалын харилцан үйлчлэл нь бүх хөдөлгүүрийн тулгуур урт дагуу ердөө 15–30 хувь хүртэл индукцлэлд байрлалаас хамааран өөрчлөлт оруулдаг. Эдгээр харилцан үйлчлэл нь мөн шилжүүрлэлтийн долгионуудын гармоник агууламжит хэмжээнд хамааран вихрь гүйдлийн алдагдал үүсгэдаг. 500 кГц-ийн доорх давтамж дээр ажиллах уламжлалт ПВМ (PWM) хөдөлгүүрүүд нь тааруу үр дүнд хүргэдэг — зарим системүүд нь оролтын хүчлэлд ¼-ийн хүртэл халуун хүчлэлд алдагдал үүсгэдэг, үүнд алюминийн хоёрдогч хэсгүүд гол үүрэгтэй. Харин өндөр давтамж дээрх шугаман зохицуулалт ашиглах үед үр дүн нь илүү сайн болж, магнитын гистерезис нь 100 наносекундээс бага хугацааны интервалд хязгаарлагдаж, хөвөр эффекттүүдийн алдагдал нь приоритетноор гуравтаяхан буурдаг, мөн бүх хөдөлгүүрийн байрлалд урсгалын нягт тогтвортой хадгалагдаж, ±2 хувь хүртэл хазайлт үүсгүйдэг. Дулааны зурагтүүлэлтийн судалгаанууд нь традициональ шилжүүрлэлтийн горимт хөдөлгүүрүүдтэй харьцуулж, тус метод нь ороолтын хамгийн өндөр температурыг ойролцоогоор 30°C-аар бууруулдаг гэдгийг баталж, үүнээс системийн надёжност ба үйлдэх хугацаа илүү сайн болж, түүний найдвартай байдал нь бодитоор сайжирдаг.

Шугаман драйвер ИС-үүд дээр 2 МГц-с илүү давтамжтай түлхүүрлэлтэд суурилан бүтээсэн жижигрүүлэлтийн шинэ амжилт

Дүрсийн ба пассив хэмжээсний хуулиуд: соронзон эзлэхүүн ∝ 1/f_sw² ба конденсаторын хэмжээ ∝ 1/f_sw

Физикийн зарчмууд дээр суурилсан хэмжээг нэмэгдүүлэхэд бид өндөр давтамжтай шилжилтийн давтамжтай ажиллахад хэмжээ нь маш их хэмжээгээр буурч байгааг харж байна. Жишээ нь, хэрэв бид шилжих давтамжийг хоёр дахин нэмэгдүүлвэл (f_sw), магнит бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хэмжээ ойролцоогоор гуравдугаарт буурна, учир нь тэдгээрийн хэмжээ нь давтамжийн квадратад эсрэгээрээ харьцаатай байдаг (V_mag нь 1/f_sw к Конденсатор нь мөн багасдаг боловч их хэмжээтэй биш байдаг. Учир нь тэдгээрийн хэмжээ нь давтамж нэмэгдэхэд шугамаар буурдаг (C_size нь 1/f_sw-д харьцангуй) эрчим хүчний хадгалах орон зай бага шаардлагатай тул. Нэг секундэд 2 сая давтамж давтахад юу болохыг хараарай: индукторын цөм нь нэг куб миллиметрийн доор тархдаг бол керамик конденсатор нь 0402 жижиг багцад багтагддаг. Үр дүн нь юу болсон бэ? Пассив бүрэлдэхүүн хэсгийн сүлжээ нь ердөө 500 кГц-т ажилладаг системтэй харьцуулахад 60-70 хувь нь жижиг болно. Үүнээс гадна эдгээр дэвшил нь олон арван жилийн турш түгээмэл хэрэглээ байсан уламжлалт том бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хэрэгцээг бүрэн арилгаж байна.

Бодит дэлхийн даваачууд: GaN-дүндэлсэн шугаман драйвер модулиуд 15 А-ийн LIM фазын драйверүүдийн хувьд <8 мм² ПХП-н хэмжээг бүтээж байгаа

Галлийн нитрид (GaN) интеграл схемүүд нь тодорхой масштаблах зарчмуудыг ашиглан бүхлэд хүчирхүйлүүр функциональ чадварыг жижиг оронд багтаахын тулд ашиглаж буй. Зарим дөрвөлжин драйвер модулийн фазын гүйдэл нь 15 ампер хүртэл хүлээж чаджуй, мөн түүний хэмжээ нь зөвхөн 2,8 × 2,8 мм² бүрдүүлжуй. Энэ нь хэвлэн хийсэн цахилгаан хавтас дээрх уламжлалт силикон MOSFET-үүдтэй харьцуулжуй, ойролцоогоор найман дахин бага зай эзэлжуй. Бага хэмжээ нь тус модулийн компонентүүдийг шугаман индукцон хөдөлгүүрийн (LIM) ороомогт ойрхон суурьлуулахыг хүлээж чаджуй, үүнээс шалтгаалжуй, тааламжгүй холболтын алдагдал багасажуй, хүсэлгүй паразит индукцон бүрдүүлжуй. Дулааны загварчлалын үед бид шүүлт температур нь тасралтгүй 15 амперийн бүтэн ачаалалд ажиллажуй, 125°C-аас доош бат бүрдүүлжуй. Ийм үзүүлэлт нь орон зай хязгаарлагдмүүр, гэтэл надёжност нь үл хүрэлцэхүр хүртэл чухал бүхлэд хүчирхүйлүүр системүүдтэй холбогдмүүр онцгой үнэт зүйл юм.

Шугаман индукцон хөдөлгүүрийн хүчирхүйлүүр системүүдтэй холбогдмүүр монолитик интеграцийн стратеги

Хаалтны драйвер, аналогийн гүйдлийн хэмжилт, хаалттаяа шугаман гаралтын төвүүдийн систем-багц (SiP) интеграци

Система-дотор-хайрцаг (SiP) нь хаалтны драйверүүд, аналог гүйдлийн хэмжилтийн бүрдүүлэлтүүд, битүүн хүрээний шугаман гаралтын үе шатуудыг бүхнүүдийг нь нэг нягт модульд нийлүүлдэг. Энэ нийлүүлэлт нь 2023 онд IEEE Transactions on Power Electronics сонинд нийтлэгдсэн судалгааны дагуу, дэд-системүүдийг тусдаа бүтээхтүүн харьцуулж үзэх үед паразит индукцлэлт асуудлыг ойролцоогоор 60% хүртэл бүүр бүүр бууруулдэг. Сигналын замууд богиносож, хариу үйлдлийн хугацаа зөвхөн 5 наносекунд хүртэл бууруулдэг, үүнээс гүйдлийн зохицуулалт микрометртэй харьцуулж үзэх үед илүү нарийн байршултын даалгавруудад хангалттай нарийн болдэг. Гүйдлийн хэмжилтийн бүрдүүлэлтүүдийг гаралтын үе шат доторхой бүтээх нь гаднах шунт эсүүдийн хэрэгцээг бүүр бүүр арилгаж өгдэг. Түүн дотроо хүчний алдагдал ойролцоогоор 18% бууруулдэг, мөн хэвлэмүүр цахилгаан хавтас (PCB) дээр шаардагдах зайг бараг хагасаар бууруулдэг. Түүн дотроо, интеграцилан бүтээсэн дизайнууд нь секунд тутамд 2 саяас илүү удаа дамжуулж үзүүрлэх давтамж дээр ч гүйдлийн сигналын чанарыг сайн хадгалдэг. Үүнээс шугаман индукцлэлт моторууд нь механик хөдөлгөөний нэг цикл дотор хүчний зохицуулалтыг динамик хэлбэрт хийж, циклуудын хооронд хүлээх шаардлагагүй болдэг.

Дулааны ба ЭМИ-хамтран төлөвлөлт: бага хэмжээтэй LIM драйверийн цуглуулманд локализирован дулаан үүсгэх ба нийт-горимын хөдөлгөөнгүй хүчдлийг удирдах

Бид өндөр нягтлалын интеграцийг хэтэрхий хэтрүүлснээр, цахилгаан эрчим хүчний нягтлалын хэмжээ 250 Вт/кв. см-ээс хэтрдэг. Энэ нь дулааны удирдлага, цахилгаан магнитын саад бэрхшээлтэй холбоотой. Асуулт нь юу вэ? Ухаалаг хамтын дизайн арга барилаар эдгээр асуудлыг хамтран шийддэг. Жишээ нь, дулааныг дамжуулах материалыг ашиглах нь GaN FET-д халуун цэгээс дулааныг зайлуулахэд тусалдаг. Зарим инженерүүд EMI-ийн дуудлыг 12 децибелээр бууруулдаг. Симетрийн хувилбар нь нийтлэг дүрмийн дуулианг арилгахад тусалдаг бөгөөд халуун температурын мэдрэгчүүд нь шаардлагатай үед хаалганы хөдөлгүүрийн цаг хугацааг автоматжуулдаг. Энэ бүгдийг нэгтгэн хийснээр 15 ампер тасралтгүй ажиллахад ч 125 градус хэмжээнд хяналт тавих боломжтой. Цахилгаан магнитын цацрагийн түлш нь CISPR 32 B ангиллын стандартаас 30 хувиар бага байна. Энэ нь үйлдвэрлэгчид одоо фенүүд эсвэл бусад хүчээр агаарлах системүүдийн оронд зөвхөн байгалийн хүйтэнжилтэд итгэдэг гарны хэмжээтэй жижигхэн хөтөч нэгжүүдийг бүтээх боломжтой гэсэн үг юм.

Шугаман ба түлхүүрлэг усилгагчийн хоорондын харьцуулалт: шугаман индукц моторын хэрэглээд үндэслэн дахин үнэлж буй

Түүнхүртэл шугаман индукц моторуудын хувьд усилгагч сонгохдоо инженерүүд илүү сайн сигналын чанарыг хангахын тулд шугаман топологийн усилгагчид сонгож байв. Гэтэд нь түүнд нөгөө тал бас байв — түүний ашиглалтын үр дүн их хүртэл 60%-аас доош байв, үүн дагаж том халуун соргиулагчид нэмж суурьлуулах шаардлагатай болж, бүх системийн хэмжээ болон үнэ хоёуланг нь их бүрдүүлж байв. Гэтэд нь одоо бүхн үлдсэн хүртэл өөрчлөгдсөн. Түлхүүрлэг усилгагчид быстр төлөв солигдосон дүрд кондукци хубилт багасгаж, ашиглалтын үр дүн 90%-аас дээш хүртэл хүртүүлж байв. Гэтэд нь түүнд үлдсэн хүртэл үнэ бас байв. Түүнхүртэл шинэ усилгагчид цахилгаан соронзон саад үүсгэж байв, үүн дагаж LIM системүүдийн байрлалын хяналтын нарийн төвөгтэй бүтэц газардаж байв. Ашиглалтын үр дүн хоёртойн өсөлт ба ЦСС-ийн удирдлага хоорондын төгс тэнцвэр олох нь одоо моторын дизайнераас үлдсэн хүртэл бодит сорилт юм.

2 МГц-тэй илүү дамжуулагч шугаман драйверуудын сүүлд гаргасан шинэ хөгжлийн үр дүнд, бидний бүхнээр төвөгтэй харьцаа-хоосон харьцаа (trade-off) асуудлууд наконц тэнцвэрт орж байна. Үйлдвэрлэгчид галлийн нитрид транзисторуудыг ухаалаг ЭМИ-ийн дарангуйлалын арга техникүүдтэй хослуулж, 8 квадрат миллиметрээс бага талбайг эзэмдэх драйвер ИК-үүд үйлдвэрлэж эхлэж байна. Сүүлд гаргасан «Power Electronics Journal» сэтгүүлд нийтлэгдсэн судалгааны үр дүнд, тус чипсүүд гүйдлийн зохицуулалтыг микросекунд түвшинд хадгалж, дулаан алдагдалыг ойролцоогоор 40% хүртэл бүүр бүүр бууруулж байна. Түүн дээр бодит дэлхийн хэрэглээд юу газар хүртэл? Бид одоо хүртэл хүчирхүүн ажиллах чадварыг үлдээж, хариу үйлдлийн хурдыг болон байршлын нарийн тодорхойлолтыг үлдээж, гэтэд хүчирхүүн индукцийн моторын системүүдийг их хэмжээгүй жижигхэн бүтээж чадна. Компонентүүдийн хэмжээ багасаж байгаа хооронд, үйлдлийн хүлээлтүүд үлдээж өсөж байгаа тул, индустри наконц түүн рүү чиглэж байна.