تعمل إضاءة LED المدعمة بنتريد الغاليوم بالفعل على تحقيق تخفيضات كبيرة في كمية الطاقة الكهربائية المستخدمة عالميًا، وفي غضون عشر سنوات، من المتوقع أن يصل هذا التوفير إلى 46%.
ولكن عندما يتعلق الأمر باستهلاك الكهرباء، هناك إلكترونيات أخرى التكنلوجيا وقد يكون ذلك أكثر قيمة في الحملة الحاسمة لخفض انبعاثات الكربون العالمية، ألا وهو تحويل الطاقة.
إلى جانب ظهور GaN في الإضاءة، كانت التطورات في تقنيات التعبئة والتغليف لإلكترونيات الطاقة على نفس القدر من الأهمية. يتطلب اعتماد GaN وSiC اتباع أساليب مبتكرة لإدارة قدرات الطاقة المتزايدة. تعتبر التطورات الأخيرة في تكنولوجيا المبددات الحرارية ملحوظة بشكل خاص، حيث تلعب دورًا حاسمًا في الحفاظ على الأداء الحراري للأجهزة عالية الطاقة وضمان موثوقيتها وكفاءتها عبر التطبيقات المختلفة.
معظم الناس لا يدركون تمامًا كيف تؤثر تكنولوجيا تحويل الطاقة عليهم، لكن هذه العملية تحدث تريليونات المرات يوميًا على مستوى العالم وتسمح لأي شيء بدءًا من الهواتف المحمولة إلى المركبات الكهربائية إلى الأنظمة الطبية والصناعية بالعمل. في الواقع، أي تطبيق حيث التيار الكهربائي المتناوب يجب أن يتحول إلى تيار مباشر أو العكس. وبسبب عدم كفاءة الأجهزة والأنظمة الإلكترونية التي تتيح هذه العملية، يتم هدر كمية هائلة من طاقة الأرض يوميًا.
التقنيات الناشئة في تحويل الطاقة
في تصنيع GaN وSiC، يعد اختيار الركيزة أمرًا محوريًا. في حين أن GaN-on-Silicon يستفيد من البنية التحتية الحالية ويقتصر عادةً على 650 فولت، فإن ظهور تقنية GaN-on-Qromis-substrate-technology (QST) يسمح بطبقات فوقية أكثر سمكًا. يتيح هذا الابتكار التشغيل بجهد كهربائي أعلى، ربما يصل إلى 1,200 فولت أو أكثر، وبالتالي توسيع نطاق GaN وSiC في تطبيقات إلكترونيات الطاقة ذات الجهد العالي.
من العدل أن نقول إنه تم إحراز تقدم كبير إلكترونيًا في تقليل أوجه القصور في تحويل الطاقة بفضل إنشاء وتنفيذ العديد من أجهزة إلكترونيات الطاقة.
يمتد تأثير تقنية GaN إلى ما هو أبعد من إلكترونيات الطاقة التقليدية، مما يؤثر بشكل كبير على أنظمة الطاقة المتجددة. تشتهر أجهزة GaN بكفاءتها العالية، ويمكنها تقليل البصمة الكربونية لأنظمة مثل الألواح الشمسية ومزارع الرياح بشكل كبير، مما يساهم في حلول طاقة أكثر استدامة وصديقة للبيئة بما يتماشى مع الجهود العالمية للحفاظ على البيئة.
وكان اللاعب الرئيسي في هذا هو الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT). لقد خدم هذا الجهاز تصميمات تحويل الطاقة بشكل جيد وسيستمر في القيام بذلك، خاصة مع التطبيقات القديمة. لكن على المدى الطويل، يمكن استخدام نيتريد الغاليوم المتقدم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC). أشباه الموصلات الأجهزة ستكون الطريق إلى الأمام.
يمثل الانتقال إلى أقطار أكبر من الرقاقات في إنتاج GaN وSiC العديد من التحديات. تعد إدارة الضغوط وتكييف التقنيات الحالية من أجل تصنيع رقائق أكبر من العقبات الرئيسية. ويهدف التحول الاستراتيجي نحو المصانع مقاس 8 بوصات إلى الاستفادة من فوائد الرقائق الأكبر حجمًا ولكنه يتضمن عملية تطوير معقدة ودقيقة، مما يؤكد الطبيعة المعقدة لتصنيع أشباه الموصلات في عالم المواد المتقدمة مثل GaN وSiC.
عامل الفجوة الفرقة
ينتمي كل من GaN وSiC إلى فئة من الأجهزة تسمى أشباه الموصلات واسعة النطاق. يتم تعريف فجوة نطاق أشباه الموصلات على أنها الطاقة، بوحدة الإلكترون فولت، اللازمة للإلكترون للانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. نطاق التكافؤ هو ببساطة مدار الإلكترون الخارجي لذرة أي مادة محددة تشغلها الإلكترونات.
يُطلق على فرق الطاقة بين أعلى حالة طاقة مشغولة في نطاق التكافؤ وأدنى حالة غير مشغولة في نطاق التوصيل اسم فجوة النطاق ويشير إلى التوصيل الكهربائي للمادة. تعني فجوة النطاق الكبيرة أن هناك حاجة إلى قدر كبير من الطاقة لإثارة إلكترونات التكافؤ في نطاق التوصيل. على العكس من ذلك، عندما يتداخل نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل كما هو الحال في المعادن، يمكن للإلكترونات أن تقفز بسهولة بين النطاقين، مما يعني تصنيف المادة على أنها موصلة للغاية.
يمكن إظهار الفرق بين الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات من خلال حجم فجوة النطاق الخاصة بها. تتميز العوازل بفجوة نطاقية كبيرة، لذا يلزم وجود كمية كبيرة من الطاقة لتحريك الإلكترونات خارج نطاق التكافؤ لتكوين تيار. تحتوي الموصلات على تداخل بين نطاقي التوصيل والتكافؤ، وبالتالي فإن إلكترونات التكافؤ في هذه الموصلات تكون حرة.
ومع ذلك، فإن أشباه الموصلات لديها فجوة نطاق صغيرة تسمح لكمية صغيرة من إلكترونات التكافؤ للمادة بالانتقال إلى نطاق التوصيل. تمنحها هذه الخاصية موصلية بين الموصلات والعوازل، وهذا جزء من سبب كونها مثالية للدوائر، لأنها لن تسبب قصرًا كهربيًا مثل الموصل.
لقد أظهرت كل من أجهزة GaN وSiC بالفعل إمكانات هائلة في زيادة مستويات كفاءة تحويل الطاقة وبالتالي توفير كميات كبيرة من الكهرباء.
تتمتع هاتان التقنيتان بمزايا مقارنة بالأخرى، وعندما يتم أخذها في الاعتبار، يبدو حاليًا أن كليهما سيجد مكانًا مهمًا في تحويل الطاقة. ولكن ما هي بعض الاختلافات؟
عامل الفشل المفتوح
تتمتع ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعدن القائمة على SiC بميزة كونها أجهزة قابلة للفتح.
وهذا يعني أنه في حالة فشل الدائرة، يتوقف الجهاز عن توصيل التيار. وهذا يلغي احتمالية أن يؤدي الفشل إلى حدوث ماس كهربائي واحتمال نشوب حريق أو انفجار. ومع ذلك، فإن هذه الميزة المفيدة، وفي بعض الأحيان، الأساسية تعني أن إلكتروناتها ليست سريعة الحركة، وهذا للأسف يزيد من المقاومة، وهي العدو الرئيسي لتحويلات الطاقة الفعالة.
أدخل الأجهزة المستندة إلى GaN والتي تتمتع بحركة إلكترونية عالية. تختلف ترانزستورات GaN لأن معظم التيار المتدفق عبر الجهاز يرجع إلى سرعة الإلكترون وليس إلى كمية الشحن. وهذا يعني أن الشحنة يجب أن تدخل الجهاز لتشغيله أو إيقاف تشغيله. يؤدي ذلك إلى خفض الطاقة اللازمة لكل دورة تحويل وتوفير عملية تحويل طاقة أكثر كفاءة.
ولكن بدلاً من رؤية تقنية معينة كفائزة، يجب أن نتذكر أنه في بعض الأحيان يمكن أن تكون الخصائص التشغيلية المختلفة والمزايا اللاحقة لكل من GaN وSiC مفيدة في بعض التطبيقات.
دعونا نلقي نظرة على صانعي السيارات وخياراتهم عندما يتعلق الأمر بقرارات ذات فجوة نطاق واسعة فيما يتعلق بتصميمات السيارات الكهربائية (EV)، وعلى وجه الخصوص، العمل الذي يقوم به عاكس السيارة، وهو في الأساس تحويل الطاقة.
تحتاج المركبات الكهربائية إلى عاكس لتحويل التيار المستمر من بطارية الليثيوم إلى تيار متردد يمكن للمحرك الكهربائي للسيارة استخدامه. وكان موردو أجهزة SiC هو اختيار إيلون موسك لسيارات تيسلا الخاصة به، والآن حذت شركات تصنيع السيارات الصينية BYD، وتويوتا، وهيونداي، ومرسيدس حذوه.
ومع ذلك، فإن أجهزة SiC لا تملك كل شيء بطريقتها الخاصة عندما يتعلق الأمر بصانعي السيارات.
تعد سرعات التبديل الأعلى الممكنة باستخدام GaN ميزة قوية في محولات EV لأنها تستخدم التبديل الصعب. يعمل هذا على تحسين الأداء عن طريق التبديل السريع من وضع التشغيل إلى وضع الإيقاف لتقليل الوقت الذي يحتفظ فيه الجهاز بالجهد العالي وتمرير التيار العالي.
إلى جانب العاكس، عادةً ما تحتوي السيارة الكهربائية أيضًا على شاحن داخلي، مما يتيح شحن السيارة من التيار الرئيسي عن طريق تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر. هنا مرة أخرى، GaN جذاب للغاية.
تأتي العديد من التحديات مع استخدام SiC في تطبيقات السيارات. ركائز SiC ليست رخيصة وتمثل ما يقرب من 50٪ من تكلفة فاتورة المواد اللازمة لإنتاج الجهاز. كما أن كربيد السيليكون هي أيضًا عملية تصنيع منخفضة الإنتاجية بطبيعتها، والرقاقة شفافة، مما يستلزم معدات قياس مكلفة لمراقبة العملية.
يعد تصنيع أجهزة SiC أكثر صعوبة من تصنيع أشباه الموصلات القائمة على Si، كما أن صلابة SiC تجعل عمليات الحفر وأكسيد البوابة صعبة.
عندما يتعلق الأمر بتصنيع المركبات، يحتاج صانعو السيارات إلى كميات كبيرة من المنتجات الموردة للحفاظ على تدفق خطوط الإنتاج، وهنا يكون المعروض من SiC محدودًا، وهو ما يمثل عقبة أخرى أمام اعتماده في صناعة السيارات.
بالمقارنة مع SiC، يتم زراعة GaN على ركيزة Si أقل تكلفة. ومع ذلك، فهي تحتاج إلى حجم قالب أكبر لتطبيقات التيار العالي مقارنةً بـ SiC.
جنون العظمة الموثوقية للمكونات
يمكن أن يتسبب استخدام ركائز Si في بعض الأحيان في حدوث مشكلات مثل عدم تطابق الشبكة والخلع، مما يؤدي بدوره إلى تسرب تيار البوابة وانخفاض الموثوقية، ويشعر صانعو السيارات بجنون العظمة بشأن موثوقية المكونات حيث تؤدي حالات الفشل التشغيلي إلى تصاعد عوائد ضمان السيارة وبالتالي تقتطع جزءًا كبيرًا من ضمانات صانع السيارات. الأرباح.
من المسلم به أن هذه المشكلات المتعلقة بـ GaN يمكن حلها بسهولة عن طريق طبقات الفوقية الأكبر حجمًا، ولكن هذا بدوره سيؤدي إلى زيادة التكلفة الإجمالية للمكونات، ومرة أخرى، يكون صانعو السيارات شديدي الوعي بالتكلفة عندما يتعلق الأمر بسعر المكونات الموردة .
إن إنشاء أجهزة أشباه الموصلات المناسبة للاستخدام في السيارات يجب دائمًا أن يعالج اعتبارات درجة الحرارة، ولأن GaN يزرع على ركيزة Si، فإن توصيله الحراري يخضع لكيفية أداء ركائز Si.
لدى GaN قيود على تطبيقات السيارات عالية الطاقة (أعلى من 10 كيلوواط) ويفضل للأجهزة التي تقل عن 600 فولت، ولكن لديها القدرة على دخول سوق العاكس مع طوبولوجيا الطاقة متعددة المستويات. نظرًا لأن صانعي السيارات يحتاجون إلى كميات متزايدة من الطاقة لميزات مثل المعلومات والترفيه والاتصالات السريعة والكاميرات والرادار، فإن هناك اهتمامًا متزايدًا بأنظمة 48 فولت. في هذا الجانب، يعتبر GaN مناسبًا لأنه تنافسي من حيث التكلفة.
الآفاق المستقبلية في إلكترونيات الطاقة
كما ذكرنا سابقًا، يتيح GaN توفير التكاليف على مستوى النظام. تعتمد تكاليف الجهاز والنظام على تكلفة الركيزة وتصنيع الرقائق والتعبئة والإنتاج الإجمالي في عملية التصنيع.
يخدم SiC و GaN احتياجات الجهد والطاقة والتطبيقات المختلفة. يتعامل SiC مع مستويات الجهد التي تصل إلى 1,200 فولت مع قدرات حمل تيار عالية. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات في محولات السيارات ومزارع الطاقة الشمسية.
وبدلاً من ذلك، بسبب إمكانات التحويل بترددات عالية ومزايا التكلفة، أصبحت GaN هي الجهاز المفضل للعديد من المصممين في التطبيقات التي تقل قدرتها عن 10 كيلووات.
هذه مجرد بعض الاختلافات التشغيلية بين هاتين التقنيتين، والإجابة على السؤال الرئيسي حول أيهما سيكون الفائز الإجمالي أمر مستحيل في هذه المرحلة، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أن كليهما يتطوران باستمرار من حيث الأداء.
وبالنظر إلى المستقبل، تتطلع صناعة إلكترونيات الطاقة إلى المواد الناشئة مثل أكسيد الغاليوم (Ga2O3). وفي حين يحمل Ga2O3 إمكانات واعدة، فإن اعتماده سيكون تدريجيًا، نظرًا للطبيعة المحافظة لهذه الصناعة. إن القبول والتطبيق الواسع النطاق لهذه المواد الجديدة في سيناريوهات الطاقة العالية سيتوقف على قدرتها على إنشاء سجل حافل.
عندما يتعلق الأمر بـ GaN، فهو يتمتع بالقدرة على توفير تبديل سريع جدًا أثناء العمل في نفس الوقت في درجات حرارة عالية. كما أنها تتمتع بمزايا الحجم، وتعتبر ذات بصمة كربونية منخفضة، ومعقولة جدًا من حيث تكلفة التصنيع.
من وجهة نظر SiC، تبدو الأمور جيدة بالنسبة لصانعي هذه الأجهزة عندما يتعلق الأمر بسوق السيارات الكهربائية.
وفقًا لشركة ماكينزي الاستشارية، من المرجح أن تستخدم السيارات الكهربائية ذات البطاريات 800 فولت (BEVs) محولات تعتمد على SiC بسبب كفاءتها العالية، ومن المتوقع أنه بحلول نهاية العقد، ستشكل المركبات الكهربائية ذات البطاريات الكهربائية 75٪ من السيارات الكهربائية. سوق.
وبغض النظر عن الاختلافات الفنية بين التقنيتين، فماذا يقول المحللون والنقاد حول مدى نجاح مبيعاتهم خلال بقية هذا العقد؟
وبأخذ متوسط من مجموعة واسعة من آراء خبراء الصناعة، يبدو أن SiC سيحقق أداءً جيدًا، وستحقق المبيعات معدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 29٪ وتصل إلى رقم عالمي قدره 12 مليار يورو بحلول عام 2030.
تبدو الصورة المالية وردية تمامًا بالنسبة لمبيعات أجهزة GaN. على الرغم من أن أرقام معدل النمو السنوي المركب بين محللي السوق تميل إلى التباين على نطاق أوسع، إلا أن متوسط الرقم الإجمالي يصل إلى 26%، ومن المتوقع أن تصل المبيعات إلى حوالي 10 مليار يورو بحلول عام 2030.
لذلك، فيما يتعلق بالكفاءة التقنية وتعدد استخدامات التطبيقات والقدرة على جني الكثير من المال لشركات أشباه الموصلات، ليس هناك الكثير للفصل بين GaN وSic، ولذا ربما إذا كان هناك فائز نهائي في سباق فجوة النطاق، فسيكون يعتمد الأمر على أي منهم يمكنه إظهار التكنولوجيا الأكثر اضطرابًا.