تقنية mSiC الخاصة بالرقاقة الدقيقة في طليعة التطبيقات عالية الطاقة
لقد كان كربيد السيليكون (SiC) وفوائده المتأصلة على السيليكون التقليدي كمادة وشيكة لمصنعي ومستخدمي مفاتيح الطاقة وأشباه الموصلات ومحركات البوابة. لقد كان هذا أكثر وضوحًا في مواجهة الطلب المتزايد باستمرار على إلكترونيات الطاقة لتحقيق كفاءة أعلى وتقليل الحجم والوزن من بين المتطلبات الأخرى.
توفر أشباه الموصلات واسعة النطاق مثل كربيد السيليكون (SiC) خسائر تحويل منخفضة للغاية لزيادة كفاءة النظام، وكثافة طاقة عالية تؤدي إلى تقليل الحجم والوزن، وموصلية حرارية فائقة مقارنة بالسيليكون. وهذا يعني انخفاض متطلبات المشتت الحراري، مما يسمح بمساحة أكثر إحكاما وخفة الوزن. علاوة على ذلك، فإن القدرة على العمل في درجات حرارة عالية تعزز موثوقية النظام بشكل عام، مما يجعله خيارًا مقنعًا للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة متزايدة. وغني عن القول أن SiC يجد تطبيقًا متزايدًا ويتفوق على السيليكون التقليدي، مما يجذب التمويل والاستثمار نحوه. كانت شركة Microchip Technology Inc.، التي تتمتع بتاريخ يزيد عن 20 عامًا في مجال أجهزة SiC، في دائرة الضوء حيث أعلنت عن خططها لاستثمار 880 مليون دولار لتوسيع طاقتها الإنتاجية من كربيد السيليكون (SiC) والسيليكون (Si) في كولورادو.
أجرت الشركة مؤخرًا ندوة عبر الإنترنت حول “تمكين التصميمات عالية الطاقة باستخدام حلول Microchip mSiC™ Silicon Carbide”، تسليط الضوء على خط إنتاج الشركة ومزاياها على المنافسين.
استكشاف “الصلابة” والموثوقية لـ SiC
قام محسن نائب الرئيس، مدير هندسة التطبيقات في شركة Microchip Technology، أولاً بتوضيح الخصائص التي تبحث عنها الصناعة لوحدات SiC. وبتسليط الضوء على بعض ميزات SiC المعترف بها على نطاق واسع، أكد على صلابتها وموثوقيتها. تتميز أجهزة SiC بموصلية حرارية تتيح تبديد الحرارة بكفاءة، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات الطاقة العالية، بينما تضمن قدرتها التشغيلية في درجات الحرارة العالية الموثوقية في البيئات القاسية مثل الطيران والتحكم في محركات السيارات. كما أن مقاومتها للإشعاع، وهي أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الفضائية والنووية، جنبًا إلى جنب مع فجوة نطاق واسعة، تسمح لـ SiC بالتعامل مع مستويات الجهد العالي، مما يوفر متانة ضد ارتفاعات الجهد وظروف الجهد الزائد في أنظمة توزيع الطاقة.
شرح محسن بدقة موقف Microchip Technology من بعض الجوانب السلبية التي تم التغاضي عنها لـ SiC مقارنة بـ Si التقليدي. على سبيل المثال، قدم بيانات حول معلمات استقرار أكسيد البوابة لوحدات mSiC™ MOSFETs في دراسة مقارنة. يُزعم أن نهج Microchip يُظهر تحولًا ضئيلًا في جهد العتبة (Vذ) قبل وبعد 1000 ساعة من انحياز البوابة ذات درجة الحرارة العالية (HTGB). بمعنى آخر، أظهرت تقنية mSiC™ الخاصة بشركة Microchip أنها تتمتع باستقرار ممتاز لأكسيد البوابة، وهو أمر مفيد جدًا للتطبيقات عالية الطاقة. فيما يتعلق بالصلابة، وفقًا لمحسن، كانت اختبارات الإجهاد على استقرار الصمام الثنائي للجسم لتقنية mSiC™ واعدة أيضًا: وفقًا لاختبارات الضغط التي أجريت في جامعة ولاية أوهايو، فإن منحنيات الجسم الثنائي IV وقياسات RDS (on) التي تم إجراؤها قبل و بعد الإجهاد (لمدة 100 ساعة) تقريبًا يتداخل مع تقنية Microchip’s mSiC™. علاوة على ذلك، يستخدم أسلوب تصميم Microchip الثنائيات المتأصلة الموجودة داخل أجهزتها (ثنائيات الجسم) لوظائف معينة، مثل التصحيح أو الحركة الحرة. من خلال الاستفادة من هذه الثنائيات الموجودة، يتم التخلص من الحاجة إلى دمج ثنائيات شوتكي حرة منفصلة (نوع من الصمام الثنائي يستخدم للتعامل مع طفرات الجهد العكسي في بعض التطبيقات). هناك أيضًا تأثير ثانوي لانهيار الانهيار الجليدي، وقد سلط محسن الضوء على بعض البيانات ذات الصلة التي تشير إلى صلابة الانهيار الجليدي والاستقرار البارامتري لوحدات mSiC™ MOSFET الخاصة بالرقاقة الدقيقة.
لذلك، يمكن أن تحمل تقنية mSiC™ وعودًا لمختلف الصناعات، مما يؤدي إلى أنظمة موفرة للطاقة في السيارات الكهربائية وتحويل الطاقة المتجددة. يمكن أن تعزز الصلابة أيضًا الموثوقية في الأنظمة الحيوية. ومع ذلك، يظل النظر الحكيم في الاحتياجات الخاصة بالتطبيقات والتصميم الدقيق ضروريًا لتسخير الإمكانات الكاملة لـ SiC. وللاستفادة من هذه الإمكانية، فإن أكبر العقبات هي الآثار الثانوية “السيئة” لاستخدامها كمفاتيح. في حين أن كربيد السيليكون (SiC) يوفر سرعات تحويل أسرع ومزايا أخرى مقارنة بالسيليكون التقليدي (Si) في بعض التطبيقات، إلا أنه يمكن أن يؤدي أيضًا إلى جهد أسرع وتيار عابر أثناء التبديل. يمكن أن تسبب هذه العوامل العابرة ارتفاعًا في الجهد الكهربائي والرنين والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، الأمر الذي يتطلب تصميمًا دقيقًا للدوائر وتصفيتها لمنع حدوث مشكلات مثل تعطل الجهاز أو الضوضاء غير المرغوب فيها. تؤدي سرعات التبديل السريعة أيضًا إلى توليد تداخل كهرومغناطيسي. هناك أيضًا مشكلات مثل الجهد الزائد وارتفاع درجة الحرارة. تعد تقنية Augmented Switching الحاصلة على براءة اختراع من قبل شركة AgileSwitch® التي استحوذت عليها شركة Microchip، بمثابة حل رقمي رائد لهذه الأخيرة.
تقنية Switching™ المعززة للمساعدة في تطبيقات الطاقة
تتضمن تقنية التبديل المعزز تقنيات دوائر متطورة واستراتيجيات تحكم تعمل على تحسين سلوك التبديل لأجهزة أشباه موصلات الطاقة، مثل MOSFETs أو IGBTs. أحد أهداف هذه التقنية هو تقليل التداخل بين حالات التشغيل والإيقاف لجهاز أشباه الموصلات أثناء تبديل التحولات. وهذا يعني أن الجهاز يقضي وقتًا أقل في حالات المقاومة العالية، حيث يحدث فقدان للطاقة. من خلال تحقيق انتقال أسرع بين هذه الحالات، تقلل التكنولوجيا من خسائر التوصيل (عندما يكون الجهاز في حالته) وخسائر التبديل (أثناء الحالة العابرة) – بما يصل إلى 50%. ونتيجة لذلك، يمكن للجهاز التبديل بشكل أسرع وأكثر كفاءة، مما يؤدي إلى تقليل هدر الطاقة وتحسين كفاءة النظام بشكل عام.
تشتمل تقنية التبديل المعزز أيضًا على التحكم في معدل الجهد والتغير الحالي أثناء تحولات التبديل. وهذا يقلل من تجاوز الجهد بنسبة تصل إلى 80%. من خلال تحقيق انتقالات أكثر سلاسة وأكثر تحكمًا، تساعد هذه التقنية على تخفيف توليد ارتفاعات الجهد العالي التردد والعابرات الحالية التي يمكن أن تؤدي إلى تداخل كهرومغناطيسي (EMI). يعد التخفيض في EMI مفيدًا للتطبيقات التي تتطلب الامتثال لمعايير EMC ولضمان حسن سير الأجهزة الإلكترونية المجاورة (انظر الشكل 1).
ومع ذلك، فإن العامل المميز لهذه التكنولوجيا هو سمتها المتأصلة المتمثلة في سهولة تكوينها في سياق رقمي. ومن خلال ضبط المعلمات وخوارزميات التحكم، يمكن لهذه التقنية تلبية مجموعة واسعة من مستويات الطاقة، وتبديل الترددات، وظروف التحميل. تضمن هذه القدرة على التكيف أن يتم تصميم مكاسب الأداء وفقًا للمتطلبات المحددة لكل تطبيق، سواء كان محولًا عالي التردد أو محركًا. ويمكن أيضًا تصميمه للعمل بفعالية في أوضاع متعددة، واستيعاب سيناريوهات التشغيل المختلفة.
تسمح المرونة في تقنية التبديل المعزز بالترقيات والتكيفات لاستيعاب التطورات المستقبلية في مجال إلكترونيات الطاقة. ومع ظهور متطلبات جديدة أو مع تحسن الأجهزة، يمكن تحديث التكنولوجيا لتسخير أحدث الابتكارات، مما يجعل الأنظمة المجهزة بهذه التكنولوجيا أكثر إثباتًا للمستقبل. الأمر الحاسم بالنسبة لتقنية Microchip هو ضمان التنفيذ السلس والمريح لما ورد أعلاه. قد تكون مجموعتهم الحية من مجموعات التطوير لسائقي البوابة الخاصة بهم أحد الأصول المهمة في هذا الصدد.
باستخدام أدوات التحكم في البوابة مثل تقنية التبديل المعزز وغيرها من الابتكارات، يتم دمج المظهر الواسع لمنتجات Microchip mSiC™ في العديد من التطبيقات عبر الصناعات المتنوعة. باعتبارها لاعبًا رئيسيًا في SiC، يجب أن تكون الشركة في دائرة الضوء مع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات في WBG (وبالتالي الصناعة).
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
