تنتمي التطورات المبتكرة في إلكترونيات الطاقة إلى التقنيات الرئيسية المستقبلية من أجل زيادة كفاءة النظام بالإضافة إلى الأداء في تطبيقات توفير الطاقة والسيارات. السيليكون هو المادة الرئيسية للمفاتيح الإلكترونية لعقود. أدت عمليات التصنيع المتقدمة وتصميمات الأجهزة الإلكترونية المتطورة إلى تحسين أداء الأجهزة الإلكترونية المصنوعة من السيليكون إلى حدها النظري تقريبًا. لذلك ، لزيادة أداء النظام ، يجب استكشاف المواد الجديدة التي تظهر خصائص فيزيائية وكيميائية تتجاوز السيليكون. يُظهر عدد من أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة مثل كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم وأكسيد الغاليوم والماس خصائص بارزة قد تمهد الطريق لمستويات أداء جديدة.
أجرت مراسلة ELE Times ، شيبا تشوهان ، مقابلة حصرية مع ستيفان أوبيرسريبنيج ، رئيس خط الإنتاج العالي الجهد االكهربى تحويل قوة إنفينيون & مدخل بطاقة الذاكرة : نعم قسم النظام ، وستيف روبرتس ، مدير الابتكار في RECOM Power. يغطي هذا التفاعل بشكل رئيسي حول إلكترونيات الطاقة في أشباه الموصلات وبعض التقنيات الرئيسية المقبلة.
مبادرة الطاقة الذكية الجديدة القائمة على GaN التكنلوجيا
يتحدث عن نفس ستيفان أوبسيرسريبنيج ، قال رئيس خط الإنتاج لشركة Infineon أن GaN يوفر الإمكانية التكنولوجية لدمج مكونات الطاقة عالية الجهد مثل HEMTs التي عادة ما تكون متوقفة عن التشغيل والأجهزة الطرفية ذات الجهد المنخفض مثل محركات البوابة ، وتحول المستوى ، ودائرة استشعار التيار والجهد في واحد تموت بنفس عملية التصنيع. يتيح ذلك إنشاء أجهزة متكاملة للغاية وتوفر جميع الدوائر الضرورية داخل حزمة واحدة للحصول على أعلى كثافة للطاقة وسهولة في الاستخدام مع سلوك "الإدخال والإخراج الرقمي".
بينما رد ستيف روبرتس ، مدير الابتكار في RECOM Power ، يمكن أن تشير Smart Power إلى طرق إدارة الموارد الحالية بذكاء لتجنب فقر الطاقة ، لا سيما في المناطق الريفية. يستخدم المصطلح أيضًا لوصف إدارة توزيع الطاقة في المدن الكبيرة والمصانع الكبيرة لتجنب انقطاع الشبكة والأحمال الزائدة. في كلتا الحالتين ، تتطلب موازنة موارد الطاقة المحدودة تحويل السلطة بكفاءة. تعد تقنية GaN ضرورية لهذا المفهوم لأنها تسمح بإمدادات الطاقة بكفاءة تقترب من 99 ٪.
تقود تقنيات SiC و GaN الابتكار والكفاءة في إلكترونيات الطاقة في المستقبل
استجاب Stefan Obsersriebnig بأن SiC و GaN عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة تتيح مجالات كهربائية أعلى في الأجهزة وبالتالي طبقات أرق مع منشطات أعلى لمنع الجهد. هذا يقلل من المساحة المطلوبة لمقاومة معينة ، مما يقلل من السعات الطفيلية. نتيجة لذلك ، يمكن أن تعمل SiC وخاصة GaN بترددات تحويل أعلى بكثير من نظيراتها Si. هذا يؤدي إلى مكونات سلبية أصغر وكثافة أعلى للطاقة لأنظمة إلكترونيات الطاقة. علاوة على ذلك ، نظرًا لعدم وجود ناقلات أقلية في SiC و GaN في مرحلة التوصيل ، يمكن أيضًا أن تكون هذه الأجهزة صعبة التبديل. هذا يعني أن مخططات التحكم الجديدة أصبحت ممكنة ، على سبيل المثال ، تستخدم مزيجًا من التبديل الثابت والناعم على نطاقات الحمل و / أو المدخلات والجهد الناتج. يوفر هذا درجات جديدة من الحرية لمصممي أنظمة الطاقة الإلكترونية وكفاءات أعلى عن طريق اختيار مخطط التعديل الأمثل لكل نقطة تشغيل.
وبالتالي لتشغيل (تحسين) GaN HEMT ، يجب "إلغاء" منطقة النضوب عن طريق تطبيق جهد صغير على البوابة ، مما يؤدي إلى فك الاتصال بين المصدر والصرف. يحدث هذا بسرعة كبيرة مما يجعل سرعات التحويل من 100 كيلو هرتز إلى مناطق ميغا هرتز قابلة للتحقيق بسهولة.
بالنسبة للتطبيقات العسكرية أو الفضائية ، فإن قدرة تحمل RadHard المتأصلة في GaN الجانبي على بناء Si / SiC الرأسي هي أيضًا عامل جذب رئيسي.
تشبه ترانزستورات SiC التقليدية Si-الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة، ولكن استخدم كربيد السيليكون بدلاً من ركيزة السيليكون. يحتوي SiC على جهد انهيار أعلى بكثير بحيث يمكن جعل الطبقات الفردية أرق ، مما يقلل من سعة التحويل ويزيد من قدرة المعالجة الحالية. هكذا SiC-MOSFET يتحول بشكل أسرع وبكثافة طاقة أعلى من Si- المكافئMOSFET الترانزستور.
ما مدى اتساع أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة في تشكيل مستقبل إلكترونيات الطاقة؟
أجاب Stefan Obsersriebnig أن أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة تسمح بكسر حواجز الأداء لأنظمة Si الحالية. تم دفع الكفاءة وكثافة الطاقة إلى مستويات جديدة ، كما تم تمكين التطبيقات الجديدة. إنها تلعب دورًا مهمًا في إمداد حياتنا بالكهرباء وإزالة الكربون ، حيث لا يتم إهدار قدر أقل من الطاقة أثناء عمليات التحويل فحسب ، بل يمكن أيضًا معالجة مستويات طاقة أعلى في مساحة أقل. كخط أساسي ، يتشكل مستقبل إلكترونيات الطاقة بشكل كبير من خلال أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة نظرًا لأنها تفتح متجهات بحثية جديدة في طبولوجيا متقدمة ، وخطط التعديل والتحكم ، ومفاهيم التكامل ، وطرق التصفية ، والمزيد.
أشباه الموصلات تدعم الحلول المقدمة من Infineon تدفقًا مستقرًا وفعالاً مع تقليل الخسائر، وبالتالي تحقيق أقصى قدر من الكفاءة على طول سلسلة الطاقة، وكل ذلك وفقًا لمعايير الجودة العالية للحصول على أعلى موثوقية واستدامة محسنة.
أحدث حلول الطاقة للتطبيقات الصناعية والسيارات
أجاب ستيفان أوبسرسريبنيج أن المجال الصناعي، قدمت شركة إنفينيون مؤخرًا إلى السوق أجيالًا جديدة من السيليكون مثل IGBT7 أو CoolMOS 7. تمت إضافة منصات حزمة جديدة مثل EASY 3B، مما يوسع نطاق الوحدات النمطية التي لا تحتوي على لوحة أساسية مدمجة في PCB. علاوة على ذلك، تم إطلاق حزم الطاقة مثل QDPAK لتشكيل اتجاه التبريد في الجانب العلوي. بجانب عرض Si الخاص بنا، تنمو فجوة النطاق الواسعة بشكل كبير. وكمثال على ذلك، تم إطلاق مجموعات ذكية من رقائق السيليكون وكربيد السيليكون، مما يوفر حلاً مثاليًا لأداء المهد للعملاء، على سبيل المثال في طوبولوجيا ANPC. علاوة على ذلك، أطلقت شركة Infineon مجموعة واسعة من الأجهزة المنفصلة CoolSiC 650 V. علاوة على ذلك، تعالج مجموعة منتجات CoolGaN 600 V الرائعة تلك التطبيقات والعملاء الذين يطلبون كفاءة فائقة خاصة مع كثافة الطاقة القصوى.
WBG في تطبيقات السيارات هو أيضًا محور تركيز شركة Infineon. في معرض PCIM التجاري الافتراضي لهذا العام، قدمت Infineon أيضًا HybridPACK Drive CoolSiC الجديد، وهو عبارة عن جسر كامل وحدة مع جهد حجب 1200 فولت مُحسّن لمحولات الجر في السيارات الكهربائية. تعتمد وحدة الطاقة على تقنية CoolSiC trench MOSFET الخاصة بالسيارات لتوفير كثافة طاقة عالية وتطبيقات عالية الأداء. وهذا يوفر كفاءة أعلى في المحولات ذات النطاقات الأطول وتكاليف البطارية المنخفضة، خاصة بالنسبة للمركبات ذات أنظمة البطاريات 800 فولت وسعة البطارية الأكبر. بالإضافة إلى ذلك، تتيح حلول أشباه موصلات الطاقة ودوائر التحكم الذكية لدينا إمكانية تحسين الأهداف المتعددة لتقليل تكلفة النظام وزيادة كثافة الطاقة وزيادة كفاءة التطبيقات والأنظمة المعيارية - مما يدعم البنية المفضلة لديك. يمكن لأشباه الموصلات، وخاصة تلك التي تنتجها شركة إنفينيون، أن تلعب دورًا حيويًا في بناء كفاءة استخدام الطاقة في جميع مراحل سلسلة إمداد الطاقة، وخاصة في السيارة الكهربائية.
من خلال تقليل فقد الطاقة إلى الحد الأدنى وزيادة توفير الطاقة إلى الحد الأقصى ، فإنها تزيد من الأداء العام للمركبات الهجينة والكهربائية. تتناول تقنياتنا الرئيسية الواسعة ، بما في ذلك المستندة إلى Si مثل IGBT و SJ MOSFET ، قطاع أداء التكلفة حيث ستتيح حلول WBG القائمة على SiC اليوم و GaN في المستقبل تحسين الأداء العالي من جانب العميل.
قال ستيف روبرتس إنه على المدى الطويل ، ستوفر تقنية GaN أيضًا تخفيضات هائلة في أبعاد مصدر طاقة التيار المتردد. يجري بالفعل تطوير كثافة طاقة تبلغ 40 وات / بوصة² ، أي ضعف أو ثلاثة أضعاف كثافة الطاقة للتقنيات التقليدية القائمة على Si. هذا يعني أنه يمكن للعملاء في المجالات الصناعية والطبية توقع جيل جديد من مصادر طاقة التيار المتردد / التيار المستمر التي تتناسب مع العبوات الأصغر بكثير مع الحد الأدنى من توليد الحرارة. نظرًا لأن GaN مناسب بشكل خاص لطبولوجيا الارتداد الكهرومغناطيسي المنخفضة أو الرنين عالي الكفاءة أو الذبابة الخلفية ذات المشبك النشط ، فسيتم استبدال العديد من مصادر الطاقة الضخمة بتصميمات جديدة أنيقة ستعني أن المنتجات المستقبلية سيتم تصميمها حول واجهة المستخدم أكثر من حولها. مصدر طاقة ضخم.
على سبيل المثال ، ستوفر منتجات AC / DC من الجيل التالي من RECOM المزودة بتيار متردد / تيار مستمر 60 واط مع بصمة 3 "x1.6" بدلاً من معيار الصناعة 4 "x 2" ، انخفاض بنسبة 40٪ في الحجم لنفس خرج الطاقة.
أحدث حلول الطاقة المبتكرة SiC & GaN التي تجعل الأنظمة الصناعية وأنظمة السيارات أكثر ذكاءً وأكثر اخضرارًا
رد Stefan Obsersriebnig أن جعل الحياة أسهل وأكثر أمانًا وأكثر اخضرارًا هي مهمة Infineon. يتم تطوير منتجاتنا لدعم مستقبل أكثر استدامة. لقد أضفنا منتجات منفصلة جديدة قائمة على SMD تقدم تثبيتًا فائقًا للقالب واستقرارًا حراريًا للدوران. يتم إطلاق وحدات جديدة قائمة على AlN مع SiC. أجهزة 650 فولت تكمل الآن عرض CoolMOS. كما تم إطلاق أول 1200V SiC IPM في جميع أنحاء العالم. يتطور عالم السيارات بوتيرة غير مسبوقة.
في Infineon ، ننظر إلى الوراء على 40 عامًا من النجاح والخبرة المثبتة في توفير أشباه الموصلات عالية الجودة لتشغيل الأنظمة الإلكترونية لصناعة السيارات. أحد المعتقدات الأساسية هو جعل السيارات أكثر خضرة ، وبالتالي ، فإن Infineon تستثمر باستمرار في التقنيات لتمكين الانتقال إلى المركبات المكهربة بشكل أسرع وأكثر كفاءة. تتيح الحلول المستندة إلى Infineon WBG تقليل حجم النظام بنسبة تصل إلى 80٪ بفضل كثافة الطاقة العالية ، وجهد تبريد أقل ، وعدد أقل من المكونات السلبية. يمكن لعملائنا زيادة كثافة الطاقة وكفاءة تحويل الطاقة. كلا اتجاهي التحسين هما المفتاح ، لا سيما في قطاع السيارات المكهربة حيث يمكن للكفاءة العالية أن تزيد من نطاق القيادة وتبسط كثافة الطاقة التصميم وتمكن من تركيب بطاريات ذات سعة أعلى في نفس الهيكل.
تتسارع إلكترونيات الطاقة القائمة على SiC للعاكس الرئيسي xEV وإلكترونيات الشحن (محول OBC + HV DC-DC) ؛ هذا صحيح بشكل خاص في تجزئة السيارات المتميزة اليوم وفئة السيارات ذات الحجم الكبير غدًا. لتمكين إلكترونيات الطاقة الخضراء ، تستثمر Infineon في مجموعة منتجات واسعة من عروض SiC - حلول تعتمد على SiC 750 V و 1200 V. في قطاع السيارات ، تم توسيع المحفظة من خلال المزيد من المنتجات القائمة على MOSFET والحلول المختلطة. قد يكون GaN خليفة محتمل لـ SiC لتمكين كثافة طاقة أعلى في المستقبل ، وبالتالي ستطور Infineon أيضًا حلولًا قائمة على GaN لمجال السيارات.
أجاب ستيف روبرتس بشكل مذهل أن كلاً من ترانزستورات SiC و GaN تتحول بشكل أسرع وأنظف ولديها أداء حراري أفضل بشكل عام من IGBT (SiC من خلال كيميائها - كربيد السيليكون لديه موصلية حرارية أفضل بحوالي 3.5 مرة من السيليكون ، و GaN من خلال خسائره المنخفضة جدًا و SMD الفعال التعبئة والتغليف) ، ولكن بالنسبة للعديد من التطبيقات ، لا تزال MOSFETs فائقة التوصيل و IGBT تقدم أداءً مقبولاً بسعر أقل بكثير. لذلك ، بالنسبة للعديد من التطبيقات الصناعية الحساسة للسعر ، لا تزال التقنيات القائمة على السيليكون لها ميزة على الكيمياء الجديدة ؛ في الوقت الحالي على الأقل.
علاوة على ذلك ، نظرًا لأن ترانزستورات WBG لا تزال في مرحلة التطوير المبكرة ، فإن تقنية IGBT الأكثر نضجًا توفر جهد وتيارات تحويل أعلى من منافسيها الأصغر سنًا:
ومع ذلك ، هناك العديد من التطبيقات الرئيسية حيث تكون مزايا أداء WBG حاسمة: تتطلب المركبات الكهربائية (EVs) كفاءة أعلى (تردد تبديل أعلى) وأداء حراري أفضل (خسائر تحويل أقل) مما هو متاح حاليًا من التقنيات القائمة على السيليكون.
تبلغ الكفاءة الإجمالية للمركبة الكهربائية الإضافية حاليًا حوالي 60٪ (تحويل طاقة التيار الكهربائي إلى الطاقة الحركية للمركبة). تقدم WBG إمكانية تحسين التحكم في الطاقة وكفاءة شحن البطارية بحيث تزيد الكفاءة الإجمالية إلى 72٪. يمثل هذا زيادة فعالة في النطاق بأكثر من 20٪ دون تغيير تقنية البطارية الحالية. هذا الاحتمال الخاص بتطبيقات المركبات الكهربائية كبيرة الحجم جذاب للغاية لتقنيات SiC و GaN.
ومع ذلك ، هناك العديد من التطبيقات الرئيسية حيث تكون مزايا أداء WBG حاسمة: تتطلب المركبات الكهربائية (EVs) كفاءة أعلى (تردد تبديل أعلى) وأداء حراري أفضل (خسائر تحويل أقل) مما هو متاح حاليًا من التقنيات القائمة على السيليكون.
المؤلف المساهم:
شيبا شوهان
-
شيبا شوهانhttps://www.eletimes.com/author/sheebaهل وقود الهيدروجين هو المستقبل؟
-
شيبا شوهانhttps://www.eletimes.com/author/sheebaشكل المصنع: التصنيع في عصر ما بعد الجائحة