وحدة الطاقة

توفر وحدة الطاقة أو وحدة إلكترونيات الطاقة الغلاف المادي لعدة مكونات طاقة ، وعادةً ما تكون أجهزة أشباه موصلات الطاقة . تُلحم أو تُلبّد أشباه موصلات الطاقة هذه (المعروفة باسم الرقائق ) عادةً على ركيزة إلكترونيات الطاقة التي تحمل أشباه موصلات الطاقة، وتوفر التوصيل الكهربائي والحراري والعزل الكهربائي عند الحاجة. بالمقارنة مع أشباه موصلات الطاقة المنفصلة في أغلفة بلاستيكية مثل TO-247 أو TO-220 ، توفر حزم الطاقة كثافة طاقة أعلى ، وهي في كثير من الحالات أكثر موثوقية.

تعود جذور وحدات الطاقة إلى منتصف القرن العشرين، عندما كانت عملية تبديل الطاقة تتم بواسطة ترانزستورات ثنائية القطب منفصلة ، ​​ولاحقًا بواسطة زوج دارلينجتون مثبت في عبوات ذات أطراف لولبية. وقد وفرت هذه التجميعات المبكرة كسبًا عاليًا للتيار، لكنها عانت من حجم كبير، وأداء حراري محدود، وتوصيلات معقدة.

في عام 1974، طرحت شركة سيميكرون وحدة الطاقة الهجينة " سيمي باك 1"، وهي أول وحدة طاقة هجينة "خالية من الجهد" متاحة تجاريًا. كانت متوفرة بتصميمات توصيل متنوعة تستخدم كلًا من الثنائيات والثايرستورات . "خالية من الجهد" تعني أن القاعدة المعدنية للوحدة معزولة كهربائيًا عن دوائر أشباه الموصلات، مما يسمح بتركيبها مباشرةً على مشتت حراري دون الحاجة إلى عزل إضافي. ^{[ 1 ]}

خلال ثمانينيات القرن الماضي، تطورت تقنيات تغليف الوحدات مع اعتماد ركائز النحاس الملحومة مباشرة (DBC) وركائز المعادن المعزولة (IMS) ، مما عزز مقاومة دورات التبريد والتسخين . ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى ذلك، ومع تقدم التكنولوجيا بمرور الوقت، أصبحت متطلبات تشغيل البوابات أكثر تعقيدًا.

شهدت أوائل التسعينيات من القرن الماضي الصعود التجاري لوحدات الترانزستور ثنائي القطب ذي البوابة المعزولة ( IGBT ). وبفضل الجمع بين التحكم في البوابة الشبيه بترانزستور MOSFET وقدرة التيار لترانزستور ثنائي القطب، حلت وحدات IGBT بسرعة محل التصاميم القائمة على دارلينجتون في فئات الجهد من 600 إلى 1200 فولت. وأصبحت وحدات نصف الجسر، المزودة بثنائيات التحرر المضادة للتوازي المدمجة (FWD) ، شائعة الاستخدام في وحدات الطاقة.

خلال العقد الأول من الألفية الثانية، دُمجت في وحدات الطاقة مستشعرات حرارة مدمجة - سواءً كانت مقاومات حرارية NTC مثبتة على الركيزة أو ثنائيات استشعار حرارة مدمجة ، ودوائر متكاملة لتشغيل البوابات، ودوائر حماية من الأعطال - مما أدى إلى ظهور أولى وحدات الطاقة "الذكية". واستمر تحسين مواد الركائز ومركبات التشكيل، مما أدى إلى إطالة عمرها الافتراضي في ظل دورات الطاقة القاسية.

في الآونة الأخيرة، دخلت الأجهزة ذات فجوة النطاق العريض ، مثل ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون ، إلى وحدات الطاقة، مما يوفر ترددات تبديل أعلى، وخسائر أقل، وأحجامًا أصغر. وتُظهر الوحدات الهجينة التي تجمع بين ثنائيات شوتكي المصنوعة من كربيد السيليكون وترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون، بالإضافة إلى الوحدات المصنوعة بالكامل من كربيد السيليكون، السعي المستمر لتحسين الأداء مع الاستفادة من منصات التغليف الحالية.

إلى جانب الوحدات التي تحتوي على مفتاح إلكتروني واحد للطاقة (مثل MOSFET أو IGBT أو BJT أو ثايريستور أو GTO أو JFET ) أو ثنائي ، تحتوي وحدات الطاقة التقليدية على رقائق أشباه موصلات متعددة متصلة لتشكيل دائرة كهربائية ذات بنية معينة تُسمى الطوبولوجيا. كما تحتوي الوحدات على مكونات أخرى مثل المكثفات الخزفية لتقليل تجاوزات جهد التبديل، ومقاومات حرارية NTC لمراقبة درجة حرارة ركيزة الوحدة. ومن أمثلة الطوبولوجيات الشائعة الاستخدام في الوحدات:

• مفتاح ( موسفت ، آي جي بي تي )، مع ثنائي مضاد للتوازي ؛
• مقوم جسري يحتوي على أربعة ثنائيات (أحادي الطور) أو ستة ثنائيات (ثلاثية الطور)
• نصف جسر ^{[ 3 ]} ( ساق العاكس ، مع مفتاحين وثنائياتهما المضادة للتوازي)
• جسر H (أربعة مفاتيح وثنائيات مضادة للتوازي مقابلة)
• تعزيز أو تصحيح معامل القدرة (مفتاح واحد (أو مفتاحان) مع صمام ثنائي تقويم عالي التردد واحد (أو اثنين)
• ANPFC (طرف تصحيح معامل القدرة مع مفتاحين وثنائيات مضادة للتوازي وأربعة ثنائيات تقويم عالية التردد)
• NPC ثلاثي المستويات (النوع I) ( ساق عاكس متعدد المستويات مع أربعة مفاتيح وثنائيات مضادة للتوازي مقابلة لها)
• MNPC ثلاثي المستويات (النوع T) ( ساق عاكس متعدد المستويات مع أربعة مفاتيح وثنائيات مضادة للتوازي مقابلة لها)
• ANPC ثلاثي المستويات ( ساق عاكس متعدد المستويات بستة مفاتيح وثنائيات مضادة للتوازي مقابلة لها)
• ثلاثة مستويات H6.5 ^{[ 4 ]} - (تتكون من ستة مفاتيح (أربعة IGBTs سريعة / اثنين IGBTs أبطأ) وخمسة ثنائيات سريعة)
• محول ثلاثي الأطوار ^{[ 3 ]} (ستة مفاتيح وثنائيات مضادة للتوازي مقابلة)
• وحدة واجهة الطاقة (PIM) - (تتكون من مقوم الإدخال، وتصحيح معامل القدرة، ومراحل العاكس)
• وحدة الطاقة الذكية (IPM) - (تتكون من مراحل الطاقة مع دوائر حماية محرك البوابة المخصصة لها. يمكن أيضًا دمجها مع مقوم الإدخال ومراحل تصحيح معامل القدرة.)

بالإضافة إلى نقاط التلامس اللولبية التقليدية، يمكن تحقيق التوصيل الكهربائي بين الوحدة وأجزاء أخرى من نظام إلكترونيات الطاقة باستخدام نقاط تلامس دبابيسية (ملحومة على لوحة الدوائر المطبوعة )، أو نقاط تلامس بالضغط تُركّب في فتحات لوحة الدوائر المطبوعة ، أو نقاط تلامس زنبركية تضغط تلقائيًا على مناطق التلامس في لوحة الدوائر المطبوعة، أو عن طريق التلامس بالضغط المباشر حيث تُضغط أسطح مقاومة للتآكل معًا. ^{[ 5 ]} تتميز نقاط التلامس الدبابيسية المضغوطة بموثوقية عالية جدًا وتُسهّل عملية التركيب دون الحاجة إلى اللحام. ^{[ 6 ]} بالمقارنة مع نقاط التلامس الزنبركية، تتميز نقاط التلامس الزنبركية بإمكانية إزالة التوصيل بسهولة ودون إتلاف عدة مرات، كما هو الحال عند فحص الوحدة أو استبدالها، على سبيل المثال. ^{[ 7 ]} يتميز كلا النوعين من نقاط التلامس بقدرة محدودة على نقل التيار نظرًا لصغر مساحة مقطعهما العرضي وسطح التلامس. لذلك، غالبًا ما تحتوي الوحدات على نقاط تلامس أو زنبركات متعددة لكل توصيلة من توصيلات الطاقة الكهربائية.

ينصبّ التركيز الحالي في مجال البحث والتطوير على خفض التكاليف، وزيادة كثافة الطاقة ، وتعزيز الموثوقية، وتقليل العناصر الطفيلية المُجمّعة. وتتمثل هذه العناصر الطفيلية في السعات غير المرغوب فيها بين أجزاء الدائرة، وحثّات مسارات الدائرة. ويمكن أن يؤثر كلاهما سلبًا على الإشعاع الكهرومغناطيسي للوحدة، على سبيل المثال، عند تشغيلها كمحول. ومن المشكلات الأخرى المرتبطة بالعناصر الطفيلية تأثيرها السلبي على سلوك التبديل وفقد الطاقة في أشباه الموصلات. ولذلك، يعمل المصنّعون على تقليل العناصر الطفيلية في وحداتهم مع الحفاظ على انخفاض التكلفة، وضمان درجة عالية من قابلية استبدال وحداتهم بوحدات من مصادر أخرى (مصنّعين آخرين). ومن الجوانب الأخرى التي يمكن تحسينها المسار الحراري بين مصدر الحرارة (الرقائق) والمشتت الحراري. يجب أن تمر الحرارة عبر طبقات فيزيائية مختلفة، مثل اللحام، ولوحة التوصيل المباشر، واللوحة الأساسية، ومادة التوصيل الحراري ، وجزء كبير من المشتت الحراري، قبل أن تنتقل إلى وسط غازي كالهواء أو وسط سائل كالماء أو الزيت. ونظرًا لأن أشباه الموصلات الحديثة المصنوعة من كربيد السيليكون تتميز بكثافة طاقة أعلى، فإن متطلبات نقل الحرارة تتزايد.

تُستخدم وحدات الطاقة في معدات تحويل الطاقة مثل محركات المحركات الصناعية ، ومحركات المحركات المدمجة ، ووحدات تزويد الطاقة غير المنقطعة ، ووحدات تزويد الطاقة AC-DC ، ووحدات تزويد الطاقة في أجهزة اللحام .

كما توجد وحدات الطاقة على نطاق واسع في أجهزة العاكس الخاصة بالطاقات المتجددة مثل توربينات الرياح ، وألواح الطاقة الشمسية ، ومحطات الطاقة المدية، والمركبات الكهربائية .

• مجموعة الطاقة (نظام الدفع)
• بيضة الطاقة
• المحرك الرئيسي

• دليل تطبيقات أشباه موصلات الطاقة من سيميكرون (2015) : معلومات شاملة حول تطبيقات أشباه موصلات الطاقة وتقنية وحدات الطاقة
• وحدة الطاقة Eltek Flatpack2 48V HE مثال على وحدة طاقة؛ مقوم عالي الكفاءة