أخبار التكنولوجيا

SiC يخلق ضجة


تُصنع معظم أشباه الموصلات من مادة قائمة على السيليكون، ولكن في السنوات الأخيرة، تصدرت مادة جديدة نسبيًا قائمة على أشباه الموصلات عناوين الأخبار: كربيد السيليكون (SiC).

ما هي مزايا SiC على Si؟

في الأساس، يعتبر SiC من أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق واسعة مع مزايا متأصلة مقارنة بأشباه الموصلات Si التقليدية. هذه الخصائص المادية لـ SiC تؤدي إلى أعلى:

  • مجال الانهيار
  • سرعة انجراف الإلكترون
  • توصيل حراري

يسمح مجال الانهيار العالي للجهاز بتحمل الفولتية العالية لمنطقة معينة. يمنح هذا مصممي الأجهزة القدرة على زيادة المساحة المخصصة لتدفق التيار لنفس حجم القالب، مما يقلل من مقاومة الجهاز لمنطقة معينة (Rsp). ترتبط مقاومة الجهاز بشكل مباشر بفقد طاقة التوصيل، لذا فإن قيمة R أصغرsp سيؤدي إلى خسائر أقل، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى.

سرعة انجراف الإلكترون هي مدى سرعة انتقال الإلكترونات في المادة بسبب المجال الكهربائي. في حالة أشباه الموصلات SiC، تكون سرعة انجراف الإلكترون أعلى بمقدار 2 × من سرعة أشباه الموصلات المعتمدة على Si. كلما تحركت الإلكترونات بشكل أسرع، زادت سرعة تشغيل الجهاز وإيقاف تشغيله. يحصل مصمم النظام على فائدتين من هذا التبديل الأسرع: فقدان أقل للطاقة أثناء فترة الانتقال من التشغيل إلى الإيقاف، واستخدام مغناطيسات ومكثفات أصغر.


16.10.2023

إتقان قابلية النقل في ثورة أجهزة الذكاء الاصطناعي

13.10.2023

السرعة تلتقي بالاستدامة: الدكتور ساتوشي ماتسوكا يتحدث عن مستقبل الذكاء الاصطناعي والحوسبة الفائقة

10.05.2023

وأخيرًا، فإن التوصيل الحراري لـ SiC أفضل بحوالي 3 مرات من Si ويربط جميع الفوائد من الخصائص الأخرى معًا. في الأساس، تُترجم الموصلية الحرارية إلى مدى سرعة نقل الحرارة من تقاطع أشباه الموصلات إلى البيئة الخارجية. وهذا يعني أن أجهزة SiC يمكن أن تعمل حتى 200 درجة مئوية، مقارنة بحد 150 درجة مئوية النموذجي لـ Si.

إن الجمع بين هذه المزايا الثلاث يسمح لمصمم النظام بتصميم منتج أكثر كفاءة مع جعله أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأقل تكلفة. من المعروف أن أجهزة SiC أكثر تكلفة مقارنة بنظيراتها من السيليكون، ولكن عند إضافة تخفيضات التكلفة الناتجة عن استخدام مكونات سلبية أصغر وإدارة حرارية أقل، يمكن تقليل التكلفة الإجمالية للنظام بنسبة 20%. إن خصائص مادة SiC تجعلها مفيدة للغاية لتطبيقات الطاقة العالية التي تتطلب جهدًا عاليًا وتيارًا عاليًا ودرجة حرارة عالية وموصلية حرارية عالية مع وزن إجمالي أقل. تعتبر الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) وثنائيات شوتكي في كل من العبوات المنفصلة ووحدة الطاقة هي التقنيات الرئيسية التي تستخدم SiC.

مقارنة خصائص Si وSiC وGaN.
مقارنة خصائص Si وSiC وGaN

التطبيقات العملية لـ SiC ومزاياها

ويتم اعتماد SiC عبر مجموعة متنوعة من التطبيقات الحالية، مثل السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة ومحطات شحن المركبات الكهربائية. إنه يفيد مصممي الأنظمة والمصنعين بطرق متعددة لدفع هذا التغيير، ولكن كيف يمكن ترجمة ذلك إلى فوائد لمستهلكي هذه المنتجات النهائية؟

للبدء، دعونا نلقي نظرة على المركبات الكهربائية. يعد القلق من النطاق هو السبب الرئيسي الذي يحد من انتشار التكنولوجيا على نطاق واسع. باستخدام SiC، يمكن توسيع نطاق السيارة الكهربائية بنسبة تزيد عن 7%. وهذا له تأثير كبير على النطاق بمجرد التبديل من عاكس قائم على IGBT إلى عاكس SiC. ومع ذلك، يمكن النظر إلى ذلك على أنه وسيلة لمواجهة تحدٍ آخر أمام اعتماد المركبات الكهربائية: التكلفة. البطاريات المستخدمة في المركبات الكهربائية هي الجزء الأكثر تكلفة في السيارة الكهربائية. إذا كان استخدام كربيد السيليكون يمنح السيارة الكهربائية نطاقًا ممتدًا بنسبة 7%، فيمكن أن يسمح أيضًا بتقليل حجم البطارية بنسبة 7% مع الحفاظ على النطاق المكافئ لخط الأساس غير المصنوع من كربيد السيليكون. ستؤدي حزمة البطارية الأصغر حجمًا بشكل مباشر إلى انخفاض التكلفة الإجمالية للسيارة الكهربائية. وهذا هو السبب في أن اعتماد SiC في المركبات الكهربائية قوي للغاية وهو ما يدفع توقعات الإيرادات الكبيرة جدًا لمصنعي SiC.

ترتبط محطات شحن المركبات الكهربائية بالمركبات الكهربائية وبناء البنية التحتية للشحن. في حالة محطات شحن السيارات الكهربائية، فإن أحد الاهتمامات الأساسية هو كثافة الطاقة. هذا هو المكان الذي يأتي فيه SiC، لأنه يمكّن مصممي النظام من الحصول على المزيد من الطاقة التي يتم توصيلها بنفس الحجم أو الحفاظ على الطاقة كما هي وتقليل الحجم بنسبة 300٪. بالنسبة لمحطات شحن السيارات الكهربائية، فإن الحصول على المزيد من الطاقة بنفس الحجم هو القوة الدافعة الأساسية وراء استخدام SiC. الهدف هو أن تكون قادرًا على شحن السيارة الكهربائية في نفس مقدار الوقت الذي يقضيه الشخص في محطة الوقود. ولا يمكن القيام بذلك إلا عن طريق زيادة كمية الطاقة التي يتم توصيلها إلى السيارة الكهربائية بواسطة محطة الشحن.

وتساعد SiC أيضًا سوق الطاقة المتجددة من خلال تصنيع محولات طاقة شمسية أصغر حجمًا وأخف وزنًا. باستخدام تردد تحويل أسرع تم تمكينه بواسطة SiC، يمكن لمحولات الطاقة الشمسية استخدام مغناطيسات أصغر وأخف وزنًا. اعتمادًا على مستوى الطاقة، يمكن أن يجعل هذا العاكس الشمسي يزن أقل من 50 رطلاً، وهو الحد الأقصى الذي يمكن للفرد رفعه، والذي حددته إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA). أكثر من 50 رطلاً، يوصى باستخدام شخصين أو أكثر أو جهاز رفع. إن الحاجة إلى شخص واحد فقط للتركيب تقلل من تكلفة التركيب، مما يجعلها مرغوبة للقائمين بالتركيب والمستهلكين. تنطبق هذه الميزة أيضًا على شواحن Wallbox EV. هناك، بالطبع، فوائد عملية أخرى لاستخدام SiC في محولات الطاقة الشمسية، مثل زيادة الكفاءة الإجمالية وتقليل تكلفة النظام بشكل عام.

حتى محركات المحركات الصناعية تحصل على فوائد عملية من خلال التحول إلى SiC. توفر SiC لمحولات المحرك تحسينات في الكفاءة وأحجامًا أصغر وتبديدًا متزايدًا للحرارة، مما يسمح بوضع محرك المحرك محليًا أو حتى على المحرك نفسه. وهذا يقلل من الحاجة إلى العديد من الكابلات الطويلة التي تعود إلى خزانة الطاقة للحصول على حل باستخدام Si IGBTs. بدلاً من ذلك، تحتاج حلول SiC إلى كابلين فقط متصلين بخزانة الطاقة. وهذا يلغي مئات الأقدام من الكابلات باهظة الثمن والمعقدة اللازمة لهذا المثال لذراع آلية مفصلية ذات سبعة محركات في الشكل أدناه. يمكنك العثور على مزيد من المعلومات حول هذا الموضوع هنا.

مقارنة Si IGBT مع التحكم في نظام SiC MOSFET لذراع الروبوت.
مقارنة Si IGBT مع التحكم في نظام SiC MOSFET لذراع الروبوت

تستفيد جميع أمثلة التطبيقات السابقة من متانة وموثوقية SiC القوية، وهو ما يعد عامل تمييز حاسم عندما يفكر المصممون في استخدام أشباه الموصلات الأخرى من WBG، مثل GaN.

اقرأ المزيد حول الاختلافات بين GaN مقابل SiC هنا.

نقل العالم نحو إزالة الكربون باستخدام SiC

القاسم المشترك بين التطبيقات الموضحة أعلاه هو أنها جميعها تمكن من التحرك نحو إزالة الكربون. ومع ذلك، فإنهم يفعلون ذلك بطرق مختلفة.

تساهم المركبات الكهربائية عن طريق تقليل الكمية بالجنيه من ثاني أكسيد الكربون بشكل مباشر2 المنبعثة بسبب النقل. لا تصدر أي انبعاثات من أنبوب العادم؛ ومع ذلك، فإنها تستهلك الكهرباء التي ينتجها ثاني أكسيد الكربون2-مصادر الانبعاث. بما في ذلك هذه الانبعاثات، يصل متوسط ​​الانبعاثات السنوية الصادرة عن وزارة الطاقة الأمريكية إلى 2817 رطلاً من ثاني أكسيد الكربون2مقابل 12.594 رطلاً من ثاني أكسيد الكربون2 من مركبة تستخدم البنزين. وهذا يعني انخفاضًا بنسبة 78% في كمية ثاني أكسيد الكربون2 المنبعثة في الغلاف الجوي.

ليس لمحطات شحن السيارات الكهربائية تأثير مباشر على إزالة الكربون، ولكن بدون بنية تحتية قوية لمحطات الشحن السريع بالتيار المستمر، سيكون اعتماد المركبات الكهربائية محدودًا. يظل القلق بشأن المدى مساهمًا كبيرًا في عدم اعتماد السيارات الكهربائية. ومما يعزز ذلك أيضًا حقيقة أن 90% من الأسر الأمريكية التي تمتلك سيارة كهربائية هي أسر متعددة المركبات وأن 89% من الأسر التي تمتلك سيارة كهربائية لديها سيارة غير كهربائية من أي نوع. تسلط هذه الإحصائيات الضوء على أن المستهلكين ليس لديهم ثقة في أن سياراتهم الكهربائية يمكنها تلبية جميع احتياجاتهم، خاصة في شكل رحلات لمسافات طويلة.

منذ عام 2009، انخفضت تكلفة الخلايا الكهروضوئية بنسبة 90٪ تقريبًا، مما يجعلها المصدر الأقل تكلفة لتوليد الطاقة، بسعر 37 دولارًا / ميجاوات في الساعة اعتبارًا من عام 2020. قارن ذلك بالفحم بسعر 112 دولارًا / ميجاوات في الساعة والغاز الطبيعي بسعر 59 دولارًا / ميجاوات في الساعة. تسمح الطاقة الشمسية للعالم بتوليد الطاقة بدون ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات مع القيام بذلك بأقل تكلفة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى. لا يمكن لـ SiC المطالبة بكل هذا التخفيض في التكلفة، ولكنه سبب مساهم في انخفاض تكلفة توليد الطاقة الشمسية.

يتجه العالم نحو استخدام المزيد من الطاقة الكهربائية، لذا من المهم الاستمرار في تحسين كفاءة المعدات التي تستهلك هذه الطاقة الكهربائية. تمثل المحركات الكهربائية ما بين 40% إلى 50% من استهلاك الكهرباء في العالم. ومن الأهمية بمكان أن نجعل هذه المحركات الكهربائية ذات كفاءة عالية، حيث يتم تضخيم مكاسب الكفاءة الصغيرة من خلال الكم الهائل من هذه المحركات في العالم.

لا يساعد SiC في تسريع عملية إزالة الكربون في التطبيقات الحالية فحسب، بل يعمل أيضًا على تمكين التطبيقات التي لم تكن ممكنة من قبل. أحد الأمثلة على ذلك هو طائرات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائية (eVTOL). مثلما يسمح SiC بنطاق ممتد في المركبات الكهربائية، فإنه يوفر نطاقًا ممتدًا لمركبات eVTOL، مما يجعلها أكثر عملية.

وتساعد SiC في تسريع اعتماد هذه الأنظمة النهائية من خلال جعلها أكثر كفاءة وموثوقية وقوة وأصغر حجمًا وأخف وزنًا وأقل تكلفة بشكل عام.

دع Arrow يكون دليل SiC الخاص بك

كما هو الحال مع أي تكنولوجيا جديدة، ستكون هناك تغييرات سريعة مع صعوبات خاصة بها يجب التغلب عليها. عملت شركة Arrow Electronics مع محفظتها الرائدة من موردي SiC لتطوير الخبرات والأدوات اللازمة لتحقيق هذا التحول بنجاح وسرعة إلى SiC. ومن بين هؤلاء الموردين Infineon Technologies، وMicrochip Technology، وonsemi، وSTMicroelectronics، وWolfspeed.

للحصول على جميع الفوائد من SiC، من الضروري النظر في التصميم الكامل، مما يتطلب من مصممي النظام تحديد برامج تشغيل البوابة الجديدة وأجهزة الاستشعار الحالية والمكثفات والمغناطيسات والموصلات وحتى وحدة تحكم جديدة. وإدراكًا لذلك، عملت Wolfspeed وArrow Electronics معًا لتطوير Wolfspeed SpeedVal Kit، وهي منصة تقييم معيارية لـ SiC. فهو يسمح لمصمم النظام بتقييم أجهزة SiC المختلفة بسرعة مع العديد من برامج تشغيل البوابة ووحدات التحكم في بيئة التوصيل والتشغيل.

يتمتع SiC بمزايا واضحة مقارنة بتقنيات Si التي تمكن العالم من الإسراع نحو إزالة الكربون. تتمتع شركة Arrow Electronics بموقع فريد يمكنها من المساعدة في تسريع اعتماد SiC والتحرك نحو إزالة الكربون من خلال خبرتها المخصصة في مجال الطاقة العالية ومجموعة الموردين الرائدة.

لماذا كل هذا الضجيج حول SiC؟

اترك تعليقاً

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