В условиях быстрой зарядки автомобилей на новых источниках энергии тепло, выделяемое огромными токами и напряжениями, неизбежно приводит к выходу из строя традиционных электрических компонентов, а традиционные схемы охлаждения уже не справляются с этой задачей. Хотя медно-алюминиевые сплавы обладают хорошей теплопроводностью, они одновременно проводят электричество, что требует дополнительного изоляционного слоя, который, в свою очередь, препятствует отводу тепла. В этой ситуации на первый план выходит материал, сочетающий в себе две характеристики: «супертеплопроводность» и «идеальную изоляцию» — алмазные радиаторы.
Ускоритель теплопередачи
Сверхвысокая теплопроводность алмаза (20 Вт/м·К) обусловлена его идеальной кристаллической структурой: в алмазном кристалле атомы углерода плотно расположены в тетраэдральной структуре, образуя жесткую кристаллическую решетку. При поступлении тепла колебания кристаллической решетки (фононы) распространяются с чрезвычайно низким сопротивлением, а скорость теплопередачи достигает 30–100 км/с, что более чем в 5 раз превышает скорость фононов в меди.
Стабилизатор электрического поля
В условиях высокого напряжения 1000 В обычные изоляционные материалы легко подвергаются пробою. Благодаря широкой запрещенной зоне (5,0 эВ) алмаз способен выдерживать пробивное полевое напряжение 10 МВ/см, что в 33 раза превышает показатели нитрида галлия и кремния. Это обеспечивает безопасную работу электронных компонентов в условиях высокого напряжения.
Адаптер теплового расширения
Коэффициент теплового расширения алмаза составляет всего 0,8×10⁻%, что близко к показателям кремния (26×10⁻%K) и карбида кремния (42×10⁻%m). Эта характеристика предотвращает отрыв алмазной подложки от полупроводникового материала при резких перепадах температуры, гарантируя долгосрочную стабильность.
В системах молниеносной зарядки мощностью в мегаватты алмазные теплоотводы стратегически размещены в трёх ключевых местах:
Теплоотводящая подложка силового модуля (сердце зарядной станции)
В модуле преобразования мощности зарядной станции наиболее важными силовыми устройствами являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (1GBT) и полевые транзисторы с оксидным полупроводником (MOSFET).
Алмазное решение:
Использование MOSFET на алмазной подложке: исследователи разработали структуру MOSFET на основе алмазной подложки, на которой сформирован водородный терминальный слой, а на поверхности размещены слой затворной диэлектрической среды и затворный электрод.
Инновационная технология корпусирования: благодаря обширной площади открытых контактных площадок тепло эффективно передаётся на радиатор, причём 95 % тепла может напрямую передаваться в систему жидкостного охлаждения.
Система жидкостного охлаждения аккумуляторного блока (сердце автомобиля)
Столкнувшись с огромным количеством тепла, выделяемого при зарядке сильным током 1000 А, производители новых энергетических автомобилей перепроектировали систему жидкостного охлаждения, однако добавление алмазных материалов позволяет дополнительно повысить эффективность теплоотвода на 90 %.
Алмазные решения:
Алмазное покрытие выводов аккумуляторных батарей: нанесение алмазной пленки толщиной 1 мкм на выводы аккумуляторных батарей (соединительные пластины положительного и отрицательного полюсов) снижает контактное сопротивление и одновременно ускоряет отвод тепла.
Алмазный теплопроводящий слой на пластине жидкостного охлаждения: добавление алмазных теплопроводящих прокладок между пластиной жидкостного охлаждения и аккумуляторным модулем, теплопроводность которых достигает 3,6 Вт/м·К.
Трехмерный алмазный радиаторный каркас: изготовление конструктивных элементов аккумуляторного блока из композитных материалов, наполненных алмазной микропорошком, что обеспечивает как прочность конструкции, так и эффективное управление тепловым режимом.
Алмазные подложки для устройств 3GaN (основа системы преобразования энергии)
Для силовых устройств на основе нитрида галлия (GaN) в автомобильных зарядных устройствах и инверторах электропривода алмазные подложки демонстрируют поразительные результаты:
Алмазные решения:
Технология GaN-on-Diamond: перенос GaN-устройств на алмазную подложку с помощью технологии прямой сварки
Эксперименты показывают: при одинаковой плотности мощности температура GaN-устройств на алмазной подложке на 40 % ниже, чем на подложке из карбида кремния, а срок службы устройств увеличивается в 10 раз.
На высокой частоте 10 ГГц выходная мощность может достигать более 10 Вт/мм, что значительно превосходит характеристики традиционных материалов.
По мере совершенствования технологий обработки алмаза и снижения затрат этот материал, ранее использовавшийся исключительно в аэрокосмической отрасли, сейчас демонстрирует выдающиеся результаты в сфере новых энергетических транспортных средств. Он не только является ключом к преодолению «проклятия высоких температур» при мегаваттной быстрой зарядке, но и важной технологической опорой, способствующей всестороннему превосходству электромобилей над автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.
