הפיתוחים החדשניים בתחום האלקטרוניקה החשמלית שייכים לטכנולוגיות המפתח העתידיות במטרה להגביר את יעילות המערכת כמו גם את הביצועים ביישומי רכב וחסכון באנרגיה. הסיליקון הוא החומר העיקרי למתגים אלקטרוניים במשך עשרות שנים. תהליכי ייצור מתקדמים ועיצובים מתוחכמים של מכשירים אלקטרוניים ייעלו את ביצועי המכשיר האלקטרוני הסיליקוני כמעט עד לגבול התיאורטי שלהם. לכן, כדי לשפר את ביצועי המערכת, יש לחקור חומרים חדשים המציגים תכונות פיסיקליות וכימיות מעבר לסיליקון. מספר מוליכים למחצה בפס רחב כמו סיליקון קרביד, גליום ניטריד, תחמוצת גליום ויהלום מציגים מאפיינים יוצאי דופן שעשויים לסלול את הדרך לרמות ביצועים חדשות.
כתבת ELE טיימס, שיבה צ'אואן, קיימה ראיון בלעדי עם סטפן אוברסריבניג, ראש קו מוצרים מתח המרת הכוח של אינפיניון & חיישן חטיבת המערכת וסטיב רוברטס, מנהל החדשנות של RECOM Power. אינטראקציה זו מכסה בעיקר את אלקטרוניקה החשמלית סמיקונדקטור וכמה טכנולוגיות מרכזיות קדימה.
יוזמת Smart Power החדשה המבוססת על GaN טֶכנוֹלוֹגִיָה
מדברת על אותו סטפן אובסרריבניג, ראש קו המוצרים של אינפיניון אמר כי GaN מציעה את האפשרות הטכנולוגית לשלב רכיבי חשמל במתח גבוה כמו HEMT כבוי רגיל והתקנים היקפיים במתח נמוך כגון מנהלי שערים, שינויי רמות, מעגל חשמלי של זרם ומתח על אחד למות באותו תהליך ייצור. זה מאפשר יצירת מכשירים משולבים ביותר ומספקים את כל המעגלים הדרושים בתוך חבילה אחת לצפיפות ההספק הגבוהה ביותר וקלות השימוש עם התנהגות "דיגיטלית פנימה, כיבוי".
בעוד סטיב רוברטס, מנהל החדשנות של RECOM Power הגיב, סמארט פאוור יכולה להתייחס לדרכי ניהול חכמות של משאבים קיימים כדי להימנע מעוני אנרגיה, במיוחד באזורים כפריים. המונח משמש גם לתיאור ניהול חלוקת חשמל בערים גדולות ובמפעלים גדולים כדי למנוע הפרעות ברשת ועומסי יתר. כך או כך, איזון משאבי האנרגיה המוגבלים דורש העברת כוח ביעילות. טכנולוגיית GaN חיונית לתפיסה זו מכיוון שהיא מאפשרת ייצור ספקי כוח ביעילות המתקרבת ל -99%.
טכנולוגיות SiC ו- GaN מניעות חדשנות ויעילות באלקטרוניקה החשמלית של מחר
סטפן אוברסריבניג השיב כי SiC ו- GaN הם מוליכים למחצה בפס רחב המאפשרים שדות חשמליים גבוהים יותר במכשירים ובכך שכבות דקות יותר עם סמים גבוהים יותר לחסימת המתח. זה מקטין את השטח הנדרש להתנגדות מופעלת, מה שמקטין את הקיבול הטפיל. כתוצאה מכך, SiC ובעיקר GaN יכולים לפעול בתדרי מיתוג גבוהים בהרבה מעמיתיהם ל- Si. זה מוביל לרכיבים פסיביים קטנים יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר של מערכות האלקטרוניקה. יתר על כן, מכיוון שב- SiC ו- GaN אין נושאי מיעוט מעורבים בשלב ההולכה, ניתן גם להחליף התקנים אלה. המשמעות היא שתוכניות בקרה חדשות יתאפשרו, למשל, שימוש בתערובת של מיתוג קשיח ורך על טווח מתח העומס ו/או הכניסה והיציאה. זה מציע דרגות חופש חדשות למעצבי מערכות אלקטרוניות כוח ויעילות גבוהה יותר על ידי בחירת מערך האפנון האופטימלי לכל נקודת הפעלה.
כך כדי להפעיל (לשפר) GaN HEMT, צריך "לבטל" את אזור הדלדול על ידי הפעלת מתח קטן על השער, ביטול חסימת החיבור בין מקור לניקוז. זה קורה מהר מאוד והופך את מהירויות ההחלפה מ -100 קילוהרץ ועד אזורי ה- MHz בקלות למימוש.
עבור יישומים צבאיים או שטחיים, יכולת RadHard הטבועה ביכולת ה- GaN לרוחב על פני בניית Si/SiC האנכית היא גם גורם משיכה מרכזי.
טרנזיסטורים SiC דומים ל- Si- קונבנציונאלימוספים, אך השתמש בחומר סיליקון קרביד ולא במצע סיליקון. ל- SiC יש מתח פירוק גבוה בהרבה כך שניתן להפוך את השכבות הבודדות לדקות יותר, ולהפחית את קיבולת המיתוג ולהגדיל את יכולת הטיפול הנוכחית. כך SiC-MOSFET מתג מהר יותר ובצפיפות הספק גבוהה יותר מאשר Si-MOSFET טרנזיסטור.
עד כמה מוליכים למחצה בפס רחב מעצבים את העתיד של אלקטרוניקה חשמלית?
סטפן אוברסריבניג השיב כי מוליכים למחצה בפס רחב מאפשרים לשבור את מחסומי הביצועים של מערכות Si קיימות. היעילות וצפיפות הכוח נדחקים לרמות חדשות, וגם אפליקציות חדשות מופעלות. הם ממלאים תפקיד חשוב בחשמול ובדה-קרבוניזציה של חיינו, מכיוון שלא רק פחות אנרגיה מבוזבזת במהלך תהליכי ההמרה, אלא גם ניתן לעבד רמות הספק גבוהות יותר בפחות שטח. כשורה תחתונה, עתידה של אלקטרוניקה כוחית מעוצב במידה רבה על ידי מוליכים למחצה בפס רחב מכיוון שהם פותחים וקטורי מחקר חדשים לטופולוגיות מתקדמות, תוכניות אפנון ובקרה, מושגי אינטגרציה, שיטות סינון ועוד.
סמיקונדקטור פתרונות מבית Infineon תומכים בזרימה יציבה ויעילה עם הפסדים מופחתים, ובכך ממקסמים את היעילות לאורך שרשרת החשמל, כל זאת בסטנדרטים איכותיים לאמינות הגבוהה ביותר וקיימות משופרת.
פתרונות החשמל העדכניים ביותר ליישומים תעשייתיים ורכביים
Stefan Obsersriebnig הגיב כי התחום התעשייתי, Infineon הציגה לאחרונה לשוק דורות סיליקון חדשים כגון IGBT7 או CoolMOS 7. נוספו פלטפורמות חבילה חדשות כמו EASY 3B, מה שמרחיב את ההיקף של מודולים נטולי לוחות בסיס משובצים. יתר על כן, חבילות כוח כמו QDPAK הושקו כדי לעצב את מגמת הקירור העליון. לצד היצע ה-Si שלנו, פער הרצועות הרחב גדל באופן משמעותי. כדוגמה אחת, מושקים שילובים חכמים של שבבי סיליקון וסיליקון קרביד, המציעים פתרון מיטבי לביצועי עריסות ללקוח, למשל בטופולוגיית ANPC. יתר על כן, Infineon השיקה מגוון רחב של מכשירים בדידים CoolSiC 650 V. בנוסף, סל מוצרים משכנע של CoolGaN 600 V נותן מענה לאותם יישומים ולקוחות הדורשים יעילות מעולה במיוחד בשילוב עם צפיפות הספק אולטימטיבית.
WBG ביישומי רכב נמצא גם במוקד של Infineon. בתערוכת PCIM הוירטואלית של השנה, Infineon הציגה גם את ה-HybridPACK Drive CoolSiC החדש, גשר מלא מודול עם מתח חסימה של 1200 וולט מותאם לממירי מתיחה ברכבים חשמליים. מודול הכוח מבוסס על טכנולוגיית MOSFET תעלת CoolSiC לרכב עבור יישומים בעלי צפיפות הספק גבוהה וביצועים גבוהים. זה מציע יעילות גבוהה יותר בממירים עם טווחים ארוכים יותר ועלויות סוללה נמוכות יותר, במיוחד עבור כלי רכב עם מערכות סוללה של 800 וולט וקיבולת סוללה גדולה יותר. בנוסף, פתרונות מוליכים למחצה ההספקים ומחשבי הבקרה החכמות שלנו מאפשרים אופטימיזציה מרובת יעדים להפחתת עלויות המערכת, צפיפות הספק מוגברת, יעילות יישומים גבוהה יותר ומערכות מודולריות - התומכות בטופולוגיה המועדפת עליך. מוליכים למחצה, במיוחד אלו המיוצרים על ידי Infineon, יכולים למלא תפקיד חיוני בבניית יעילות אנרגטית בכל שלבי שרשרת אספקת האנרגיה, במיוחד ברכב מחושמל.
על ידי צמצום הפסדי הספק ומקסום חיסכון בחשמל, הם מגדילים את הביצועים הכוללים של כלי רכב היברידיים וחשמליים. טכנולוגיות המפתח הרחבות שלנו, כולל מבוססות Si כמו IGBT ו- SJ MOSFET, מתייחסות לפלח ביצועי העלות שבו פתרונות WBG המבוססים על SiC היום ו- GaN בעתיד יאפשרו אופטימיזציה של ביצועים גבוהים בצד הלקוח.
סטיב רוברטס אמר כי בטווח הארוך יותר, טכנולוגיית GaN תציע גם הפחתות אדירות בממדי אספקת החשמל AC. צפיפות הספק של 40W/in² כבר מפותחת, פי שניים או פי שלושה מצפיפות ההספק של טכנולוגיות קונבנציונאליות מבוססות Si. המשמעות היא שלקוחות תעשייתיים ורפואיים יכולים לצפות לדור חדש של ספקי כוח AC/DC המתאימים למארזים קטנים בהרבה עם ייצור חום מינימלי. מכיוון ש- GaN מתאים במיוחד לטופולוגיות נמוכות של EMI, תהודה יעילה במיוחד או פעילה מהירה, אספקות כוח רבות ומגושמות יוחלפו בעיצובים חדשים ומעוצבים, מה שאומר כי מוצרים עתידיים יתוכננו יותר סביב ממשק המשתמש מאשר סביב ספק כוח מגושם.
לדוגמה, מוצרי AC/DC התואמים ל- GaN מהדור הבא של RECOM יציעו אספקת חשמל AC/DC בגודל 60W עם טביעת רגל של 3 "x1.6" במקום 4 "x 2" הסטנדרטיים בתעשייה, הפחתה של 40% בגודלו לאותה תפוקת הספק.
פתרונות הכוח החדשניים SiC & GaN ההופכים את מערכות התעשייה והרכב לחכמות וירוקות יותר
סטפן אובסרריבניג השיב כי הפיכת החיים לקלים יותר, בטוחים וירוקים יותר היא משימתה של אינפיניון. המוצרים שלנו מפותחים כדי לתמוך בעתיד בר קיימא יותר. הוספנו מוצרים חדשים נפרדים המבוססים על SMD המציעים לצרף מכות מעולה ויציבות רכיבה תרמית. מודולים חדשים מבוססי AlN מושקים עם SiC. מכשירי 650V משלימים כעת את היצע CoolMOS. הושק גם ה- 1200V SiC IPM הראשון בעולם. עולם הרכב מתפתח בקצב חסר תקדים.
ב- Infineon אנו מסתכלים אחורה על 40 שנות הצלחה ומומחיות מוכחת באספקת מוליכים למחצה באיכות גבוהה להפעלת מערכות אלקטרוניות לתעשיית הרכב. אחת מאמונות הליבה היא להפוך מכוניות לירוקות יותר ולכן Infineon משקיעה ללא הרף בטכנולוגיות שיאפשרו את המעבר לרכבים מחשמלים מהר ויעיל יותר. פתרונות מבוססי Infineon WBG מאפשרים הפחתת גודל המערכת בשיעור של עד 80% הודות לצפיפות הספק גבוהה יותר, פחות מאמץ קירור ומספר נמוך יותר של רכיבים פסיביים. הלקוחות שלנו יכולים להגדיל את צפיפות ההספק ואת יעילות המרת החשמל. שני כיווני האופטימיזציה הם המפתח, במיוחד בקטע רכב מחושמל שבו יעילות גבוהה יותר יכולה להרחיב את טווח הנסיעה וצפיפות ההספק מפשטת את העיצוב ומאפשרת להתקין סוללות בעלות קיבולת גבוהה יותר באותו גוף.
אלקטרוניקה מבוססת SiC עבור מהפך ראשי xEV ואלקטרוניקה טעינה (ממיר OBC + HV DC-DC) מאיצה; זה נכון במיוחד בפילוח מכוניות פרימיום היום ובמכונית ברמה בנפח מחר. כדי לאפשר אלקטרוניקה חשמלית ירוקה, Infineon משקיעה בתיק מוצרים רחב של הצעות SiC-פתרונות מבוססי SiC של 750 V ו- 1200 V. בתחום הרכב הורחב התיק על ידי מוצרים נוספים המבוססים על MOSFET ופתרונות היברידיים. GaN עשוי להיות יורש פוטנציאלי של SiC כדי לאפשר צפיפות הספק גבוהה עוד יותר בעתיד, ולכן אינפיניון תפתח גם פתרונות מבוססי GaN לתחום הרכב.
סטיב רוברטס השיב בצורה מדהימה כי הטרנזיסטורים של SiC ו- GaN מתחלפים מהר יותר, נקי יותר ובעלי ביצועים תרמיים טובים יותר באופן כללי מאשר IGBT (SiC באמצעות הכימיה שלו - לסיליקון קרביד יש מוליכות תרמית פי 3.5 יותר מסיליקון ול- GaN באמצעות הפסדים נמוכים מאוד ויעילות SMD יעילה. אבל עבור יישומים רבים, MOSFETs ו- IGBT צומת-על עדיין מציעים ביצועים מקובלים במחיר נמוך בהרבה. אז, עבור יישומים תעשייתיים רגישים למחירים, לטכנולוגיות מבוססות סיליקון עדיין יש יתרון על פני הכימיה החדשה; לעת עתה, לפחות.
יתר על כן, מכיוון שטרנזיסטורים של WBG עדיין נמצאים בפיתוח מוקדם, טכנולוגיית ה- IGBT הבוגרת יותר מציעה מתח וזרמים גבוהים יותר מיריביה הצעירים:
עם זאת, ישנם מספר יישומים מרכזיים שבהם יתרונות הביצועים של WBG הינם מכריעים: רכבים חשמליים דורשים יעילות גבוהה יותר (תדר מיתוג גבוה יותר) וביצועים תרמיים טובים יותר (הפסדי מיתוג נמוכים) מכפי שיש כיום בטכנולוגיות מבוססות סיליקון.
היעילות הכוללת של EV-plug-in היא כרגע בסביבות 60% (המרת כוח החשמל לאנרגיה הקינטית של הרכב). WBG מציעה את האפשרות לשפר את בקרת הכוח ויעילות טעינת הסוללה כך שהיעילות הכוללת תעלה ל -72%. זה מייצג גידול יעיל של טווח של יותר מ -20% מבלי לשנות את טכנולוגיית הסוללה הקיימת. סיכוי זה של יישומי EV בנפח גבוה מאוד אטרקטיבי עבור טכנולוגיות SiC ו- GaN.
עם זאת, ישנם מספר יישומים מרכזיים שבהם יתרונות הביצועים של WBG הינם מכריעים: רכבים חשמליים דורשים יעילות גבוהה יותר (תדר מיתוג גבוה יותר) וביצועים תרמיים טובים יותר (הפסדי מיתוג נמוכים) מכפי שיש כיום בטכנולוגיות מבוססות סיליקון.
מחבר תורם:
שיבה צ'והאן
-
שיבה צ'והאןhttps://www.eletimes.com/author/sheebaהאם דלק מימן הוא העתיד?
-
שיבה צ'והאןhttps://www.eletimes.com/author/sheebaצורת המפעל שלנו: ייצור בעידן שלאחר המגיפה