أخبار التكنولوجيا

تحديات كربيد الكربون في مركبات الجيل التالي


سيتم تقليل استخدام كربيد السيليكون (SiC) في سيارات الجيل التالي المنخفضة المستوى بنسبة 75٪ كما أعلنته Tesla مؤخرًا ، مما يثير تساؤلات حول مستقبل SiC في سوق السيارات الكهربائية. يوفر SiC بديلاً عمليًا للمركبات الكهربائية نظرًا لكفاءته العالية في الطاقة ، وقدرته على تقليل فقد الجهد والتيار ، والقدرة على تقليل حجم المحرك ووزنه مع تعزيز الكفاءة الحرارية.

أظهر النمو السريع في SiC إمكانات هذه المادة ذات فجوة الحزمة العريضة ويستمر في خلق فرص جديدة لسوق SiC للنمو السريع. ونتيجة لذلك ، قام صانعو أشباه الموصلات باستثمارات كبيرة لزيادة السعة من أجل تلبية الزيادة المتوقعة في الطلب.

تقدم SiC للمهندسين العديد من الفرص نظرًا لما يقرب من 5 أضعاف الموصلية الحرارية ، و 10 أضعاف جهد الانهيار ، وفجوة النطاق 3 مرات أكبر من تقنية السيليكون النموذجية. نظرًا لخصائصها الفيزيائية والكهربائية ، تعد أجهزة SiC اختيارات ممتازة لتطبيقات الجهد العالي والطاقة العالية. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر SiC أكثر ملاءمة للعمل عند ترددات تحويل أعلى ، مما يساعد في تقليل حجم العناصر السلبية مثل المحاثات ويقلل بشكل كبير من وزن الأجهزة مثل محولات الطاقة. يظهر رقاقة كربيد السيليكون في الشكل 1.

الشكل 1: رقاقة SiC (المصدر: ST)

في هذه المقالة ، سنلقي الضوء على الفرص المستقبلية لأجهزة طاقة SiC بناءً على آراء ثلاث شركات رائدة في صناعة الرقائق: ST و onsemi و Wolfspeed.

دفع الحدود: اختبار أشباه الموصلات عالية الطاقة من الجيل التالي

05.18.2023

الموصلات المخصصة - قيمة الشركة المصنعة للموصل ذات الخبرة

05.17.2023

تحتفل Ezkey بمرور 15 عامًا على ابتكارات سلسلة التوريد

05.15.2023

STMicroelectronics

مع الحرص على تجنب الإشارة إلى إعلانات Tesla أو أي من شركات تصنيع السيارات الأخرى ، شاركت ST أنها لم تقم بأي تغييرات على إستراتيجيتها ذات فجوة الحزمة الواسعة أو توقعات النمو ، والتي تتضمن استثمارات كبيرة في تطوير القدرات والتكنولوجيا من كربيد السيليكون.

“تمت مناقشة سيارة من الجيل التالي في السوق الشامل ذات تصنيفات طاقة مخفضة وأداء منخفض مع العديد من شركات صناعة السيارات. ربما ينبغي النظر إلى هذا على أنه محاولة لمعالجة قطاعات السوق منخفضة التكلفة ذات أحجام الإنتاج الأعلى. عادة ، تعمل هذه المركبات ، أينما وجدت ، على السيليكون IGBT ، لذا فإن إمكانية استخدام SiC ، حتى كحل جزئي ، هي أخبار جيدة للشركات التي تصنع وتبيع SiC MOSFETs لأن هذا النوع من الحركة سيوسع سوق SiC الإجمالي. قال فيليبو دي جيوفاني ، مدير التسويق الإستراتيجي لقسم Power Transistor Macro في STMicroelectronics (ST).

IGBTs هي أشباه موصلات طاقة مثبتة يمكنها الأداء بشكل جيد في محولات للمركبات محدودة المدى مثل سيارات المدينة. ومع ذلك ، تفتقر IGBTs إلى الصمام الثنائي المتوازي المدمج ، مما يتطلب شريحة ديود إضافية. على النقيض من ذلك ، يتم تزويد دوائر SiC MOSFET بصمام ثنائي داخلي للجسم دون الحاجة إلى مقوم إضافي.

“في ST ، لدينا أكثر من مائة مشروع مرتبط بالكربيد الكربوني قيد الإعداد ونحن مرتاحون لتوقعاتنا الفنية والمبيعات والسعة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه حتى المركبات الهجينة تتطلب محطات شحن وأنظمة تخزين للطاقة. لا تزال SiC MOSFETs هي الخيار الأفضل لهذه التطبيقات من حيث الكفاءة ، “قال DiGiovanni.

فيما يتعلق بالمواد الناشئة الأخرى التي يمكن أن تتحدى هيمنة SiC في سوق إلكترونيات الطاقة في المستقبل ، ترى ST أن GaN مكمل ل SiC. قد يكون استخدامه مبررًا في تطبيقات مثل محولات DC-DC وأجهزة الشحن المدمجة التي يمكنها التبديل عند ترددات أعلى لتقليل حجم المحاثات والمكثفات لتقليل مساحة اللوحة. تم تلخيص مقارنة بين الخصائص الرئيسية Si و SiC و GaN في مخطط الشكل 2.

تحديات كربيد الكربون في مركبات الجيل التالي
الشكل 2: عاكس السحب IPG5 من McLaren Applied (المصدر: McLaren)

“مع اتجاه الفولتية لحافلات السيارات إلى 800 فولت ، يحتاج صانعو السيارات إلى مفاتيح 1200 فولت. ومع ذلك ، لا يزال GaN مقصورًا على 650 فولت ، لذا فإن استخدام GaN في هذه المحولات يتطلب طبولوجيا جديدة متعددة المستويات. من ناحية أخرى ، لا يزال GaN الرأسي محصوراً في مختبرات البحث والتطوير المتقدمة ولا يزال الطريق طويلاً حتى يتم تصنيع التكنولوجيا “، قال دي جيوفاني.

أنسمي

أدى اعتماد Tesla لـ SiC إلى توفير مستوى عالٍ من التحقق من صحة التكنولوجيا في الصناعة. لقد عززت مزايا الأداء التي توفرها SiC مع التأكيد أيضًا على أن المتانة والموثوقية جيدة بما يكفي لتطبيقات السيارات.

يرى أنسيمي أن كربيد السيليكون سيستمر في الزيادة بسرعة خلال السنوات القادمة. “اعتمادًا على الأداء المطلوب من قبل العميل لتطبيق معين ، هناك أسباب لاستخدام SiC أو Si. هذا هو السبب في أنه من المهم دعم كلا التقنيتين عند نقطة السعر المثلى. قال بريت زان ، نائب الرئيس والمدير العام ، حلول جر السيارات ، مجموعة حلول الطاقة ، أنسمي و مرينال داس ، مدير التسويق الفني ، قسم الطاقة المتقدمة ، مجموعة حلول الطاقة ، أنسيمي.

ومع ذلك ، فإن أجهزة الطاقة القائمة على السيليكون مثل IGBTs لها بعض القيود. العيب الرئيسي لـ IGBT هو أنه يحتوي على جهد للركبة يوجد تحته تدفق تيار ضئيل ، مما يؤدي إلى ضعف الكفاءة في ظروف الحمل الخفيف حيث يكون التيار منخفضًا نسبيًا.

“عادةً ما يكون للمركبات الكهربائية تشغيل ممتد في حالة الحمل الخفيف هذه ، وتعاني من خسائر عالية ونطاق مخفض في ملفات تعريف القيادة القياسية مع المحولات القائمة على IGBT. من ناحية أخرى ، تعمل SiC MOSFETs كمقاومات نقية بنفس قيمة المقاومة حتى في التيارات المنخفضة. كفاءة الحمل الخفيف أعلى بكثير بالنسبة إلى SiC MOSFETs مما أدى إلى زيادة النطاق بنسبة 10٪ تقريبًا في إجراءات اختبار المركبات الخفيفة المنسقة عالميًا (WLTP) ، كما قال المتحدثون شبه.

وأوضح المتحدثون أن “العيب الثانوي لـ IGBT هو أن كفاءة التحويل الخاصة به تصبح أسوأ بكثير مع الفولتية العالية للبطارية. يصبح هذا أكثر وضوحًا مع زيادة جهد البطارية من 400 فولت إلى 800 فولت وأعلى. تستمر SiC MOSFETs في توفير تحويل فعال عند الفولتية العالية بسبب الحفاظ على العملية أحادية القطب. على الرغم من أوجه القصور هذه ، تتيح IGBTs عملية تحميل / حمل زائد فعالة من التوصيل ثنائي القطب ونقطة السعر المقنعة لـ Si. هذا يجعلها جذابة للعاكسات الحساسة من حيث التكلفة في المركبات منخفضة الطاقة وفي المحاور المساعدة حيث لا يتم تقدير قيمة الأداء العام لوحدات الترانزستورات الفلورية المصنوعة من SiC بشكل كامل. “

يدرك onsemi كيف أن GaN مادة ناشئة ذات كفاءة أعلى من SiC. ومع ذلك ، فإن GaN اليوم هو جانبي ويقتصر على الفولتية القصوى التي تبلغ حوالي 650 فولت.

“مع تحرك سوق السيارات نحو أنظمة ناقل 800 فولت لتسهيل الشحن السريع ، تعد وحدات الطاقة 1200 فولت SiC حلاً مثاليًا. نحن نقدر أننا بعيدون عن التغلب على قيود الجهد والقيود الهيكلية مع GaN اليوم. قال المتحدثون باسم أون سيمي: “سيأتي يوم بالتأكيد ستكون فيه GaN منافسًا هائلاً لشركة SiC”.

وفقًا لـ onsemi ، فإن جودة ركيزة SiC لها أهمية قصوى ، حيث يأتي الكثير من موردي ركائز SiC الجدد إلى السوق.

“التحدي الذي نراه مع معظم هؤلاء الموردين هو رداءة نوعية ركائزهم ، حيث يعاني معظمهم من مستويات غير مقبولة من عيوب البلورات التي من شأنها أن تؤدي إلى عوائد رديئة للغاية على مستوى القالب. قال المتحدثون باسم أون سيمي: “إن ضعف الإنتاجية في الحجم المنخفض يؤدي إلى عوائد أقل في الحجم الكبير ، حتى أن موردي ركائز SiC الأكثر خبرة يجدون صعوبة في التوسع مع الحفاظ على إنتاج جودة موحد”.

يكتشف مصنعي المعدات الأصلية أنهم بحاجة إلى اتصالات أقوى مع بائعي أشباه الموصلات ولا يمكنهم تركهم في المستوى الأول. يعزز النقص الأخير في أشباه موصلات السيارات أهمية هذه العلاقات. تعمل سيارات ICE إلى المركبات الكهربائية أيضًا على زيادة محتوى أشباه الموصلات في المركبات. تفتقر الشركات المصنعة للمعدات الأصلية إلى خبرة في مجال أشباه الموصلات. على مدار سنوات عديدة من زيادة التبعية من المستوى 1 ، استبدلت شركات تصنيع المعدات الأصلية “التقليدية” مثل BMW ، و Mercedes-Benz ، و VW ، و Stellantis ، و GM ، و Ford ، وغيرهم كفاءاتهم الهندسية الداخلية بمديري البرامج التقنيين الذين يديرون مشاريعهم من المستوى 1 .

“تتطلب شركات تصنيع المعدات الأصلية التقليدية شراكات أعمق مع موردي أشباه الموصلات لتحسين قدراتها الهندسية الداخلية للتنافس مع مصنعي المعدات الأصلية مثل Tesla و Rivian و NIO وما إلى ذلك. تعد Volkswagen و HKMC و BMW من بين العديد من شركاء OEM التقليديين الذين شاركوا onsemi لمساعدتهم في التصميم و إنتاج المركبات الكهربائية الأكثر كفاءة “، قال أحد المتحدثين شبه.

ولفسبيد

رداً على إعلان Tesla ، ينظر Wolfspeed بشكل إيجابي على أنه محاولة لتقديم نموذج منخفض التكلفة ، مما يجعل المركبات الكهربائية في متناول الجميع.

قال فرانك فيرانتي ، نائب رئيس مبيعات السيارات في Wolfspeed ، “إن حقيقة أن منصة المركبات ذات الطاقة المنخفضة هذه لا تزال ترى فوائد كربيد السيليكون أمر إيجابي للغاية لأعمالنا ويعزز ثقتنا في طول عمر SiC”.

تحديات كربيد الكربون في مركبات الجيل التالي
الشكل 3: مجموعة نقل الحركة (المصدر: Wolfspeed)

الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون مثل IGBTs موجودة منذ عقود وتستخدم على نطاق واسع في تحويل الطاقة. مقارنةً بـ IGBTs ، تتيح أجهزة طاقة SiC نطاقًا أكبر بنسبة 5-15٪ أو توفر توفيرًا كبيرًا في تكاليف البطارية. يوافق Ferrante على أن مصنعي المعدات الأصلية للسيارات لديهم أداء وتكاليف متوازن إلى الأبد وسيواصلون القيام بذلك في المستقبل.

فيما يتعلق بتقنيات ومواد أشباه الموصلات الناشئة التي يمكن أن تنافس SiC في سوق إلكترونيات الطاقة ، يرى Wolfspeed أن GaN هي تقنية تكميلية. يعتبر GaN مفيدًا للغاية في تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر منخفض الطاقة وهناك حاجة إلى مصادر طاقة أصغر وأكثر كفاءة في كل مكان.

“لا يقتصر الأمر على المركبات الكهربائية – فالعالم يركز على استخدام الطاقة التي ننتجها اليوم بأكبر قدر ممكن من الكفاءة ، ونرى قائمة التطبيقات لمنتجات Wolfspeed تنمو يوميًا. من المضخات الحرارية ومحركات المؤازرة ، إلى أنظمة تخزين الطاقة ومحولات القطارات ، نرى استمرارًا في زيادة استخدام كربيد السيليكون. قال جاي موكسي ، مدير ولفسبيد لتسويق الطاقة ، “إن الطلب على تقنية فجوة النطاق العريض مثل كربيد السيليكون هو حقًا فرصة لا تتكرر إلا مرة واحدة في العمر بالنسبة لصناعتنا”.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *