يناقش قادة الصناعة تحديات وتطبيقات GaN وSiC

في مؤتمر APEC 2024، الذي عقد في فبراير في لونج بيتش، كاليفورنيا، أجرت Power Electronics News مقابلات مع العديد من قادة الصناعة الرئيسيين حول أحدث التطورات وتطبيقات تقنيات نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون في صناعة إلكترونيات الطاقة.

أجرى المؤلف مقابلات مع المتحدثين الستة أدناه خلال الحدث.

خبراء في تكنولوجيا GaN:

• روبرت تايلور، المدير العام للتطبيقات الصناعية في شركة تكساس إنسترومنتس
• مايكل دي رويج، نائب رئيس هندسة التطبيقات في EPC
• بالو بالاكريشنان، الرئيس التنفيذي لشركة Power Integrations

خبراء في تكنولوجيا SiC:

• أجاي ريدي ساتو، مدير وحدة أعمال نظم المعلومات الجغرافية لتسويق المنتجات في onsemi
• بيتر فريدريش، نائب رئيس SiC في Infineon Technologies
• رامانان ناتاراجان، تسويق خط الإنتاج لمنتجات الطاقة في كورفو

وشملت المواضيع التي تمت مناقشتها ركائز أشباه الموصلات والتطبيقات/الأسواق.

ركائز مادية

الجاليوم

كان السؤال الأول الذي تم طرحه على خبراء GaN هو توضيح أهمية اختيار مادة الركيزة لأجهزة الطاقة المعتمدة على GaN وكيف يتعامل الباحثون مع التحديات المتعلقة بالركائز لتحسين أداء الجهاز وموثوقيته وقابلية التصنيع.

وقال تايلور: “في شركة Texas Instruments، نستخدم ركائز السيليكون التقليدية لأجهزة GaN الخاصة بنا”. “هذا لا يسمح لنا فقط بالتقدم بسرعة كبيرة من حيث القدرة على إنتاج أجهزة جديدة، ولكنه يوفر أيضًا ميزة كبيرة من حيث التكلفة، نظرًا لأننا قادرون على استخدام الكثير من مرافق موظفي دعم التصنيع التي لدينا بالفعل مكان.”

وفقًا لتايلور، فإن هذه المادة الأساسية مفهومة جيدًا ومن السهل جدًا التعامل معها. وتعتقد TI أن هذا يوفر للشركة ميزة كبيرة من حيث القدرة على إخراج أحدث أنواع الأجهزة وأكثرها تقدمًا للعديد من التطبيقات المختلفة.

وقال دي رويج: “تصنع EPC أجهزة من 15 فولت إلى 350 فولت باستخدام ركيزة سيليكون منخفضة التكلفة”. “هذه مادة جيدة لأنها مناسبة تمامًا للبنية الشبكية لنمو نيتريد الغاليوم.”

ومع ذلك، تأتي التحديات مع الأجهزة ذات الجهد العالي بسبب المتطلبات الأكثر سمكًا للبنية المتغايرة اللازمة لتلبية جهد الحجب. وفقًا لدي رويج، بالنسبة للأجهزة ذات الجهد العالي، هناك أربعة خيارات بديلة: GaN، وsapphire، وSiC، وQTS. يعد GaN مادة باهظة الثمن، لكنه بالطبع متوافق جيدًا مع GaN. يعتبر الياقوت أقل توصيلًا للحرارة، لذلك هناك تحديات لتلبية المتطلبات الحرارية، لكنه لا يزال مطابقًا جيدًا لهيكل شبكة GaN. تعتبر SiC مادة باهظة الثمن ولكنها موصلة حرارية جيدة جدًا. QTS، وهي مادة هندسية، تظهر نتائج جيدة، كما أنها تتمتع بأداء حراري جيد ومعامل تمدد حراري.

وقال بالاكريشنان: “إن اختيار المواد في GaN يرتبط بشكل مباشر بالأداء والتكلفة والموثوقية”. “نحن نختار الركيزة حتى نتمكن من الحصول على أقل تكلفة وأعلى موثوقية وأداء عالٍ للغاية من حيث تبديل التردد والقدرة على الانتقال إلى الفولتية الأعلى.”

أعلنت شركة Power Integrations بالفعل عن جهاز GaN بقدرة 1250 فولت. وكما قال بالاكريشنان، فإن ذلك سيسمح للشركة بالتنافس بشكل مباشر مع SiC بما يصل إلى مستويات طاقة تصل إلى حوالي 10 إلى 20 كيلووات.

كربيد كربيد

وفقًا لأونسيمي، هناك عمومًا نوعان من العيوب التي تؤثر على ركائز SiC: العيوب القاتلة والعيوب غير القاتلة. المناطق الثلاثة التي يمكن أن تنشأ فيها العيوب هي الركيزة والتلميع وبرنامج التحصين الموسع. في حين أن الصناعة ربما تكون قد حلت العديد من العيوب القاتلة التي تظهر بشكل عام في الركائز، فإن العيوب غير القاتلة بعد الـ epi هي التي يمكن الهروب منها.

قال ساتو: “ما فعلناه في onsemi هو تطوير العديد من الأساليب المستندة إلى الخوارزمية لفحص هذه الأجهزة مع تقدم المادة عبر التصنيع”. “بالإضافة إلى ذلك، لدينا حلقات ردود فعل أقصر من الركيزة ومن وجهة نظر epi أثناء تصنيع الجهاز.”

وقال فريدريش: “لقد وصلنا بالفعل إلى جودة جيدة جدًا لركيزة كربيد السيليكون”. “نحن ننتقل من 150 ملم إلى 200 ملم، ومع الانتقال إلى قطر الرقاقة الجديد، نرى وضعًا جيدًا جدًا فيما يتعلق بكثافة العيوب.”

وفقا لفريدريش، أحد المواضيع الرئيسية لمزيد من تحسين المواد هو انخفاض كثافات العيوب. الموضوع الثاني فيما يتعلق بالمواد هو أن الخواص الميكانيكية لبعض الرقاقات الحديثة لا تزال أكثر شبهاً بالسيليكون، مما يعني تسطيح أفضل وتغيرات سمك محلية ومواضيع نحتاجها من أجل استخدام التقنيات المتطورة. وينبغي أن يكون هذا هو الهدف للخطوات التالية.

التطبيقات والأسواق

الجاليوم

وقال تايلور: “فيما يتعلق بأجهزة GaN لتطبيقات معينة، فإن أكبر ما نراه حاليًا هو في مصادر طاقة الخادم”. “ضمن مراكز البيانات هذه، يعد خادم PSU مثالًا رئيسيًا على المكان الذي يمكن أن تتمتع فيه شبكة GaN بميزة كبيرة على السيليكون.

وأضاف: “يتيح لنا ذلك استخدام طبولوجيا مختلفة لم يعد من الممكن تحقيقها من قبل باستخدام السيليكون، مما يسمح لنا بتعزيز الطاقة والكثافة والكفاءة داخل تلك الأنظمة”.

وفقًا لـ TI، هناك سوق ضخم آخر لـ GaN وهو تطبيقات الطاقة الشمسية، وخاصة المحولات الدقيقة. يمكن أن يلعب GaN أيضًا دورًا مهمًا في السيارات، مع أنظمة 400 فولت أو 800 فولت أيضًا.

وفقًا لـ EPC، يُحدث GaN فرقًا في التطبيقات المختلفة، مثل محولات DC/DC والسيارات ومحركات السيارات وأنظمة LiDAR. في محولات DC/DC، ركزت EPC بشكل أساسي على تحويل 48 إلى 12 فولت، لتكون قادرة على تقليص حجم المحولات بشكل كبير مقارنة بأجهزة السيليكون وتحقيق أداء عالٍ جدًا. وتشمل تطبيقات السيارات كهربة المركبات.

وقال دي رويج: “بالنسبة للجهد العالي، فقد ثبت أيضًا أن GaN هو جهاز جيد جدًا لأنظمة LiDAR، حيث يحقق أداءً محسنًا ومعدلات تحويل سريعة جدًا لا يمكن تحقيقها باستخدام أجهزة السيليكون”.

وأضاف: “في محركات السيارات، يمكن لـ GaN تبديلها بتردد أعلى، مما يؤدي إلى إثارة جيبية أنظف للمحرك”. “وهذا يقلل بشكل كبير من تموج عزم الدوران على المحرك ويمكن أن يحسن الكفاءة الميكانيكية بين 11% و14%. يمكنك أيضًا التخلص من العديد من المكونات الكبيرة والضخمة للتصفية واستخدام المكثفات الخزفية ببساطة.

وقال بالاكريشنان: “بالنسبة لتطبيقات الطاقة التي تقل عن 30 واط، فإننا نستخدم GaN”. “ينطبق هذا على المنتجات التي تدخل في المحولات، وهو استخدامنا المبكر لـ GaN. ومن الآن فصاعدا، نحن نستخدمه في تطبيقات المستهلك. ولكننا سنقدم منتجات ذات مستويات طاقة أعلى، مثل بضعة كيلووات”.

تتضمن هذه التطبيقات ذات الطاقة العالية مصادر طاقة الخادم، والبنية التحتية لمحطات 5G، وأجهزة الشحن الموجودة على متن الطائرة، ومحولات DC/DC للسيارات. وفقًا لشركة Power Integrations، يمكن معالجة أي محول طاقة أقل من 10 أو 20 كيلو واط باستخدام التكنولوجيا التي قمنا بتطويرها بالفعل. GaN ليس جاهزًا تمامًا للانتقال إلى مستويات طاقة أعلى مثل 100 أو 200 كيلووات.

وقال بالاكريشنان: “سيكون GaN مساوياً أو أقل من السيليكون في غضون عام أو عامين”. “يتمتع GaN بمستقبل مشرق بالنسبة إلى كربيد السيليكون مع ارتفاع مستويات الطاقة وهو قادر على معالجة عدة مئات من الكيلووات، وهو السوق الرئيسي لكربيد السيليكون اليوم.”

كربيد كربيد

وفقًا لأونسيمي، فإن التطبيقات الرئيسية لـ SiC موجودة في السيارات. وتشمل هذه محولات الجر، وأجهزة الشحن الموجودة على متن السيارة، ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر ذات الجهد العالي. في قطاع الصناعة، تشمل تطبيقات SiC أجهزة الشحن السريعة التي تعمل بالتيار المستمر، ووحدات UPS، وتخزين الطاقة، والطاقة الشمسية.

بالنسبة للشواحن المدمجة ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر ذات الجهد العالي، تعد كثافة الطاقة العالية أمرًا ضروريًا. لتلبية هذه المتطلبات، قامت onsemi بتطوير تقنية M3S SiC MOSFET التي تحقق كثافة طاقة عالية وتردد تحويل عالي للسيارات ومحركات السيارات والصناعية وأنظمة UPS وأنظمة تخزين الطاقة وتطبيقات الطاقة الشمسية.

وقال فريدريكس: “جميع التطبيقات التي تكون فيها كثافة الطاقة والكفاءة العالية مهمة للغاية هي تلك التي لديها بالفعل اختراق كبير جدًا مع كربيد السيليكون”. “ومع ذلك، فإننا نعتزم خدمة جميع الأسواق المهتمة بكربيد السيليكون. وتشمل هذه الدفع الجر، ومحركات المحركات، ومحركات المحركات المؤازرة، ووحدات UPS وإمدادات الطاقة للنظام.

وفقًا لناتاراجان، ساهمت أجهزة SiC في تنشيط عالم تحويل الطاقة. إنها تحقق فوائد مقارنة بأجهزة السيليكون، مثل تردد التبديل الأعلى، ومقاومة أقل، وكفاءة أعلى.

“في Qorvo، نركز بشكل أساسي على مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية، مثل شواحن البطاريات، ومعدات اختبار البطاريات، ومعدات الاختبار والقياس، وتطبيقات الطاقة المتجددة مثل محولات الطاقة الشمسية، وأنظمة تخزين الطاقة، وبالطبع السيارات الكهربائية ومحطات الشحن. وقال ناتاراجان: “شواحن مدمجة ومحولات تيار مستمر/تيار مستمر”.

تعتمد هذه التطبيقات SiC لعدة أسباب. يرغب موردو الطاقة في مراكز البيانات في تقليل النفقات التشغيلية لمركز البيانات. يرغب مصنعو السيارات الكهربائية في شحن سياراتهم بشكل أسرع وجعل سياراتهم أخف وزنًا. يجب أن تكون تطبيقات الطاقة المتجددة قادرة على العمل في درجات حرارة أعلى وأن يكون لها عمر أطول وكفاءة أعلى مع منتجاتها. وفقًا لناتاراجان، إنه وقت مثير للعمل في مجال إلكترونيات الطاقة وأشباه موصلات الطاقة، والأجهزة ذات فجوة النطاق الواسعة مثل SiC تمهد الطريق.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

التدوينة قادة الصناعة يناقشون تحديات وتطبيقات GaN وSiC ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.