حالة Superjunction MDmesh
في السنوات القليلة الماضية، شهد سوق طاقة أشباه الموصلات اهتمامًا متزايدًا باعتماد أجهزة طاقة واسعة النطاق (WBG) مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم. وخاصة في SiC، تسابقت شركة STMicroelectronics إلى الريادة العالمية بلا منازع من خلال الدخول المبكر ونجاح العملاء في السيارات الكهربائية. علاوة على ذلك، فإن الحاجة إلى منتجات ذات كفاءة متزايدة من القطاع الصناعي ستستمر في دفع السوق. ومن المثير للاهتمام، أنه في حين أن الكثير من الإثارة في الصناعة ركزت على النجاح في هذه التقنيات الناشئة، فقد واصلت ST الابتكار والاستثمار في دوائر MOSFET المتقدمة ذات الجهد العالي والقائمة على السيليكون باستخدام تقنيتها الخاصة ذات الجهد العالي (على سبيل المثال، فوق 250 فولت). يُسمى MDmesh، حيث يشير “MD” إلى “التصريف المتعدد” وتشير كلمة “mesh” إلى بنيته الأفقية المحددة.
هناك أسباب عديدة تدعم استمرار الاستثمارات في السيليكون. فأولا، تتطلب إلكترونيات الطاقة مجموعة كاملة من الحلول، ولا يزال السيليكون يلبي متطلبات محددة، وذلك بسبب التوازن الجيد للغاية بين التكلفة والأداء، وهو أمر بالغ الأهمية للعديد من التطبيقات ذات الحجم الكبير. ثانيا، من خلال الاستمرار في تحسين السيليكون، يمكننا تصميم وتنفيذ عمليات تكنولوجية جديدة يمكن تكييفها في نهاية المطاف ونقلها إلى منتجات الضفة الغربية وقطاع غزة. يعد مفهوم الوصلة الفائقة إحدى هذه العمليات المحسنة.
تتوقع شركة أبحاث السوق Yole Group أن يصل إجمالي سوق أجهزة الطاقة المنفصلة (الترانزستورات والمقومات)، باستثناء وحدات الطاقة، إلى 17.1 مليار دولار في عام 2026، ارتفاعًا من 14.1 مليار دولار في عام 2022، مع حساب دوائر MOSFET السيليكونية (بما في ذلك الجهد المنخفض). مقابل 53%. وتتوقع شركة Omdia، وهي شركة أخرى لأبحاث السوق، أن وحدات MOSFET السيليكونية، في وحداتها، ستظل تمثل الغالبية العظمى من سوق إمدادات الطاقة للخوادم ومراكز البيانات (انظر الشكل 1). ومن خلال تحليلها، تتوقع Omdia أن اثنين من كل ثلاثة أنظمة سيستخدمان أجهزة الطاقة المصنوعة من السيليكون في عام 2026.
تعتمد تقنية MDmesh الخاصة بشركة ST على مفهوم التوصيل الفائق، الذي يتيح جهدًا حجبًا أعلى دون زيادة سماكة ومقاومة الطبقة الفوقية بالطريقة التي يتم بها ذلك باستخدام التقنيات المستوية التقليدية. من خلال الحفاظ على سماكة الطبقة الفوقية ومقاومتها، تعمل أجهزة الوصلة الفائقة على تحسين المقاومة المحددة للجهاز. يتم تعريف رقم الجدارة هذا على أنه حاصل ضرب المقاومة في مساحة الرقاقة. من الناحية العملية، يتم تحقيق مقاومة أفضل من خلال “توسيع” منطقة الجسم P الخاصة بـ MOSFET من خلال تحقيق الركائز بخطوات تنقيحية متتالية، كما يوضح الشكل 2 بشكل تخطيطي.
على الرغم من الاهتمام الذي اجتذبته SiC ونجاحها في السوق، فإن عائلة ST من MDmesh MOSFETs هي من بين أكثر منتجات STPOWER نجاحًا على الإطلاق. في الواقع، بحلول نهاية عام 2023، ستكون ST قد أنتجت وشحنت أكثر من 9.5 مليار وحدة على مدار الـ 23 عامًا الماضية.
أحد مقاييس طلب السوق ونجاح التكنولوجيا هو أنه خلال أكثر من 20 عامًا من الإنتاج، تمكنت ST من تقديم تحسينات متعددة، مما أدى إلى مجموعة من تكرارات التكنولوجيا وسلسلة مخصصة لتتناسب مع جميع المتطلبات. يمكن أن تكون هذه المتطلبات خاصة بالدوائر ذات التبديل الصعب أو التبديل الناعم أو حتى دوائر الهيكل الجديدة. علاوة على ذلك، سمحت التحسينات للشركة بتحسين المعلمات المهمة، مثل dV/dt (الثابت والديناميكي)، وdi/dt، ووقت الاسترداد العكسي لاسترداد الصمام الثنائي للجسم، وشحن الاسترداد العكسي. ومن خلال مجموعة التحسينات، يمكن لمصممي الأنظمة تحقيق أهدافهم المتمثلة في تحسين الكفاءة والتشغيل الموثوق والقدرة على التصنيع بكميات كبيرة.
بالإضافة إلى ذلك، تغطي مجموعة MDmesh نطاقًا واسعًا من الفولتية وخيارات الحزمة — 600 فولت، و650 فولت، و800 فولت، و1700 فولت — وتأتي الأجهزة في كل من الإصدار القياسي ومتغيرات الصمام الثنائي المحسن للجسم.
إحدى الطرق لتقدير قدرات MDmesh هي النظر إلى أحدث الأجهزة، التي تم طرحها في عام 2022. يتيح تكرار تقنية M9 تعظيم الكفاءة في كل من الطاقة المنخفضة والعالية. وكما يوضح الشكل 3، حققت ST هذه الكفاءة من خلال تقليل تبديد الطاقة بشكل كبير مقارنة بالجيل السابق (M5).
لاحظ أن تقليل الخسائر يشمل أيضًا تلك المرتبطة بسعة الخرج (Coss). جoss تعتمد الخسائر على عدم خطية السعة والذي يؤدي بدوره إلى تأثير التباطؤ لأن الشحن والتفريغ يتبعان مسارين مختلفين تمامًا. يتم توضيح هذه الظاهرة من الناحية المفاهيمية في الشكل 4. لقد تمكنا من تحقيق توازن أفضل بين الشحن والتفريغ في M9 لتقليل عدم التوازن بشكل كبير.
تتناول منتجات MDmesh نطاقًا واسعًا من التطبيقات، بما في ذلك الخوادم؛ مراكز البيانات؛ محولات للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة اللوحية؛ مصادر الطاقة المتجددة؛ أنظمة الطاقة؛ محطات الشحن؛ محولات التيار المستمر/التيار المستمر (بما في ذلك المركبات الكهربائية)؛ وإمدادات الطاقة متنوعة مثل تلك المستخدمة في محطات 5G الأساسية. في الواقع، يمكن العثور على منتجات MDmesh في جميع المعدات التي نواجهها يوميًا. وقد أثبتت أيضًا أنها مناسبة لتطبيقات الإضاءة LED الداخلية والخارجية، في الملاعب ومراكز التسوق وإضاءة الشوارع.
بفضل كثافة الطاقة المتزايدة، يمكن أن يكون M9 مناسبًا جيدًا للتطبيقات الأحدث، بما في ذلك دقة الضوء (Li-Fi)، التي تنقل البيانات باستخدام الموجات المضيئة المنبعثة من مصابيح LED بدلاً من موجات الراديو. تعد منصات Li-Fi واعدة جدًا كبديل لشبكات Wi-Fi التقليدية، لأنها توفر نطاقًا تردديًا أكبر وكفاءة أعلى وتشغيلًا أكثر أمانًا ضد الهجمات الإلكترونية وسرعة نقل أعلى.
تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
