أخبار التكنولوجيا

ثورة في إلكترونيات الطاقة: رؤى من APEC 2024 حول GaN وSiC وما بعده



منغمسًا في الطاقة النابضة لمؤتمر ومعرض إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC)، وجدت نفسي في رابطة الابتكارات المتطورة في مجال إلكترونيات الطاقة. ومن خلال العروض التقديمية التي تسلط الضوء على الإمكانات التحويلية لتقنيات نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، والمقابلات الثاقبة التي تكشف النقاب عن أحدث التطورات من قادة الصناعة، أثبت منتدى التعاون الاقتصادي لدول آسيا والمحيط الهادئ (APEC) أنه منصة لا غنى عنها لفهم المشهد المتطور لإلكترونيات الطاقة. بدءًا من إحداث ثورة في سلاسل إمداد الطاقة باستخدام تقنية GaN وحتى دفع الابتكار بحلول متعددة الاستخدامات، قدم كل تفاعل لمحة عن طليعة إلكترونيات الطاقة، حيث تسود الكفاءة والأداء والكثافة.

الجاليوم و كربيد السيليكا

في عرضه التقديمي الذي يحمل عنوان “ظهور الذكاء الاصطناعي يتطلب أعلى أداء وكفاءة وكثافة لوحدات GaN DC-DC”، أكد أندريا جورجيرينو من EPC على الزيادة الكبيرة في الطلب على طاقة الحوسبة بسبب ثورة الذكاء الاصطناعي. مع الأنظمة التي تعمل الآن بحافلة 48 فولت، يتطلب تحويل الجهد إلى مستويات أقل كثافة طاقة وكفاءة أعلى. أصبحت تقنية GaN محورية، حيث تقدم حلولاً ذات ارتفاع منخفض وزيادة كثافة الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية في تطبيقات مراكز البيانات ذات المساحة المحدودة.

إن تحول السوق نحو طوبولوجيا الشركات ذات المسؤولية المحدودة، على الرغم من تعقيدها، مدفوع بكفاءتها وقابليتها للتوسع إلى مستويات طاقة عالية. وأشار جورجيرينو إلى التقارب في الوقت المناسب بين تقنية الذكاء الاصطناعي وتقنية GaN، مع مواكبة تطورات GaN لنمو الذكاء الاصطناعي. مع تعزيز Gen 6 GaN بتحسينات كبيرة في حجم القالب، هناك تفاؤل بالتطور المستمر، بما يتماشى مع التقدم السريع في عقد وحدة معالجة الرسومات، مما يضمن الزخم المستمر في ابتكار الذكاء الاصطناعي.

في عرضه التقديمي الذي يحمل عنوان “خارج الطريق السريع، في السماء وعلى الماء: فرص إضافية لإلكترونيات الطاقة في التنقل الإلكتروني”، أكد جاي موكسي من Wolfspeed على التطبيقات الأوسع لـ SiC خارج نطاق السيارات الكهربائية. مع ملاحظة مفهوم الكهرباء في مختلف القطاعات لتقليل ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات، أكد موكسي على أهمية تعظيم الكفاءة في إلكترونيات الطاقة لخفض التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 20 إلى 30 عامًا، حيث تحمل النفقات التشغيلية وزنًا كبيرًا.

وتمت مناقشة التطبيقات التي تشمل المضخات الحرارية، والبناء، والزراعة، ومعدات التعدين، والدراجات الإلكترونية، والدراجات البخارية، والطائرات الكهربائية، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والمزيد، مما يؤكد إمكانية تحسين الكفاءة من خلال محولات الطاقة القائمة على SiC. وفي حين شهدت السكك الحديدية قدرًا كبيرًا من الكهرباء، إلا أن فرص التحسين لا تزال موجودة. تتيح خصائص أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة الخاصة بـ SiC التشغيل بترددات أعلى، حتى في نطاق ميغاهيرتز، مما يسهل كثافات طاقة أعلى وتشغيل الجهد، وهو مفيد بشكل خاص عند مستويات الجهد المرتفعة.

واعترافًا بالقيود السابقة في قابلية التوسع والتعبئة لـ SiC، أشار Moxey إلى التطورات الأخيرة من العديد من الموردين، مما يوفر قابلية التوسع عبر التطبيقات المتنوعة ويدفع اعتماد SiC على نطاق أوسع في إلكترونيات الطاقة.

في مقابلة مع مايك تشو، مهندس التطبيقات في شركة Qorvo، سلط الضوء على التطور الرائد في تكنولوجيا أشباه موصلات الطاقة. وأشار إلى مزايا استخدام ترانزستورات تأثير مجال الوصلات (JFETs) في تصميمات العبوات المدمجة، خاصة في التطبيقات ذات المساحة المحدودة.

وأوضح تشو أن JFETs تقدم أقل حجم للبصمة وRDS (على)، مما يؤدي إلى انخفاض فقدان التوصيل بالإضافة إلى ترددات تحويل أعلى وكفاءة وكثافة طاقة. ومع ذلك، فإن العيب الكبير في JFETs هو أنها في الحالة الطبيعية، مما يستلزم محرك بوابة سلبي لإيقاف تشغيلها – مما يثير مخاوف تتعلق بالسلامة لمختلف التطبيقات.

ولمواجهة هذا التحدي، قدمت شركة Qorvo بشكل مبتكر بنية cascode، تجمع بين وحدات MOSFET السيليكونية ذات الجهد المنخفض ووحدات SiC JFETs ذات الجهد العالي. يعمل هذا التكوين على إيقاف تشغيل الجهاز بشكل طبيعي، مما يتيح التكامل السلس مع تطبيقات MOSFET القياسية. وعلى الرغم من فوائد بنية الـ cascode، أقر تشو بأن طبيعة التحويل السريع الخاصة بها تمثل تحديًا في التحكم في السرعة.

ومع ذلك، فإن هيكل الكود التازي يوفر العديد من المزايا، بما في ذلك تحسين مناعة الضوضاء بسبب ارتفاع جهد عتبة SiC مقارنة بالسيليكون. بالإضافة إلى ذلك، تم تخفيض متطلبات محرك البوابة إلى 10 فولت، مما يعزز سهولة التنفيذ مقارنةً بوحدات SiC MOSFET التقليدية.

وأشار تشو إلى ميزة مهمة أخرى لنظام تشغيل البوابة، والذي يمكن أن يعمل في نطاق يتراوح من -20 فولت إلى 20 فولت، والتحايل على مشكلات الموثوقية المرتبطة بأكسيد البوابة في كربيد السيليكون. تعمل هذه القوة الجوهرية على تعزيز الموثوقية الشاملة لـ JFET.

تحافظ النسخة الصناعية من وحدة Qorvo على توافق الدبوس مع الوحدات الصناعية الموجودة، مما يؤدي إلى تبسيط جهود التجميع. علاوة على ذلك، تتضمن الوحدة عزلًا على الجانب الخلفي لتقليل متطلبات العزل عن المبدد الحراري.

مع رDS (على) مع انخفاض يصل إلى 9.4 متر أوم وتقليل خسائر التبديل بشكل كبير مقارنة بالأجهزة المماثلة في نفس الحزمة، تتيح وحدة Qorvo ترددات تحويل أعلى ومقاومة حرارية أقل. تعمل تقنية تلبيد الفضة على تعزيز الموثوقية والتوصيل الحراري، متجاوزة طرق اللحام التقليدية.

تؤكد رؤى تشو على الإمكانات التحويلية لتقنية cascode المستندة إلى JFET من Qorvo، مما يوفر أداءً محسنًا وموثوقية وسهولة التكامل في تطبيقات أشباه موصلات الطاقة المتنوعة.

في مقابلة مع كينغ لي، نائب الرئيس للتسويق في شركة Rohm Americas، وجاي باروس، رئيس الشركة، سلطت الشركة الضوء على أحدث منتجاتها وإصداراتها القادمة وتركيزها على السوق والتزامها المستمر بالابتكار.

تضمنت النظرة العامة على العرض العديد من المنتجات المتميزة، بما في ذلك وحدة الطاقة Track Drive، المصممة لمحولات الجر، وشاحن USB-C، وهو شاحن GaN موثوق وفعال. بالإضافة إلى ذلك، تعمل مرحلة الطاقة المتكاملة، التي تم تقديمها منذ بضعة أشهر، على تبسيط استخدام تكنولوجيا GaN وتصميمها، مما يقلل بشكل كبير من عدد المكونات.

وبالنظر إلى المستقبل، تستعد Rohm لإطلاق حزم تبريد من الجانب العلوي لـ SiC والتحكم الرقمي مع خيارات الجهد التي تلبي مختلف التطبيقات. ويمتد تركيز الشركة في السوق إلى ما هو أبعد من قطاع السيارات، حيث تستهدف الإصدارات الأخيرة القطاعات الاستهلاكية والصناعية وغير المتعلقة بالسيارات، مع إعطاء الأولوية للتنوع والقدرة على التكيف في مجموعة منتجاتها.

على الرغم من التركيز على التقنيات ذات فجوة النطاق الواسعة مثل GaN وSiC، تظل Rohm ملتزمة بتطوير الأجهزة التي تعمل بالسيليكون، وهي حاليًا في جيلها السادس من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القدرة الخندقية. تعمل تقنية البوابة المتقدمة للشركة، والتي تتميز بالسرعة الرائدة في الصناعة، على تعزيز الأداء والكفاءة عبر التطبيقات المختلفة.

وقد تم عرض تنوع استخدامات Rohm بشكل أكبر من خلال تصميم LiDAR المرجعي، باستخدام برنامج تشغيل البوابة عالي السرعة، مما يوضح إمكانية تطبيق تقنيتها بما يتجاوز إدارة الطاقة التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، تحتفظ الشركة بحضور قوي في سوق التوصيلات الفائقة، حيث تقدم بدائل فعالة من حيث التكلفة لاحتياجات العملاء المتنوعة.

كشفت شركة Power Integrations عن تقدم رائد في كفاءة إمداد الطاقة من خلال طرح InnoMux-2 ICs. وإدراكًا للتقسيم التاريخي بين المحولات ووحدات إمداد الطاقة ذات الإطار المفتوح، تقود الشركة التحول نحو تعزيز كفاءة وحدات إمداد الطاقة ذات الإطار المفتوح لتحقيق وفورات كبيرة في الطاقة.

تقليديًا، كانت تلبية متطلبات الطاقة متعددة القضبان للأنظمة المختلفة تتضمن محولات طاقة متتالية، مما أدى إلى انخفاض الكفاءة الإجمالية. ومع ذلك، تقدم الدوائر المتكاملة InnoMux-2 المبتكرة حلاً تحويليًا من خلال دمج مراحل تحويل AC/DC ومراحل تحويل DC/DC في شريحة واحدة. يؤدي هذا الدمج إلى تقليل عدد المكونات وبصمة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، فهو يعزز الكفاءة بشكل كبير بما يصل إلى 10 نقاط مئوية مقارنة بالبنيات التقليدية ذات المرحلتين.

تشمل الميزات الرئيسية لدوائر InnoMux-2 المتكاملة من Power Integrations استهلاكًا منخفضًا للطاقة الاحتياطية، ومراقبة وإدارة فردية لكل مخرج من أجل تنظيم دقيق، وتكامل أجهزة GaN بقدرة 750 فولت لتعزيز السلامة ضد الزيادات المفاجئة واضطرابات الخط.

مع ما يصل إلى ثلاثة مخرجات جهد منظمة بشكل مستقل أو مخرجي جهد كهربي وإخراج تيار ثابت من مرحلة واحدة، تلبي الدوائر المتكاملة InnoMux-2 مجموعة واسعة من التطبيقات عبر قطاعات مثل السلع البيضاء والأنظمة الصناعية وشاشات العرض والمزيد، حيث يتم توفير جهد متعدد المخرجات ضرورية.

تمثل الدوائر المتكاملة InnoMux-2 الخاصة بشركة Power Integrations نقلة نوعية في كفاءة إمداد الطاقة، حيث توفر مستويات غير مسبوقة من التكامل والأداء وتوفير الطاقة لتطبيقات متنوعة، مما يضع معيارًا جديدًا لهذه الصناعة.

المغناطيس وQSPICE

في مجال تحويل الطاقة، ألقى إيونيل دان جيتارو، من شركة Rompower Energy Systems، الضوء على المسار التطوري للتقنيات المغناطيسية. مع الأساس الذي تم وضعه منذ أكثر من ثلاثة عقود، تجسد رحلة Rompower الالتزام بالابتكار في مجال تحويل الطاقة. ركزت في البداية على طبولوجيا الدوائر المتنوعة، وامتدت استكشافاتها إلى التكوينات المغناطيسية وآليات التحكم والتعبئة، مما شكل نهجًا شاملاً لتعزيز الكفاءة وكثافة الطاقة. من تمويلها في توكسون، أريزونا، تميز مسار Rompower بمعالم محورية، بما في ذلك عمليات الاستحواذ من قبل عمالقة الصناعة والتعاون الاستراتيجي مثل العرض الفرعي لبرج الجرس.

تؤكد الابتكارات الرائدة مثل أول محول DC-to-DC باستخدام تقنية PCB متعددة الطبقات على تفاني Rompower في دفع حدود الكفاءة والأداء. إن تركيزها على تطبيقات السيارات يجسد براعة الشركة في تنفيذ التكوينات المغناطيسية الفريدة، مما يؤدي إلى التقدم في إنتاج الطاقة والكفاءة. وبالنظر إلى المستقبل، تحدد Rompower التقنيات المغناطيسية كمجالات استثمار محورية في تحويل الطاقة، مع التركيز على السعي لتحقيق كفاءة أعلى وتقليل الحجم. من خلال معالجة التحديات مثل تأثير الفجوة لقمع التداخل الكهرومغناطيسي الفعال، تظل في طليعة تشكيل مستقبل تقنيات تحويل الطاقة.

من ناحية أخرى، قام مايك إنجلهارد من شركة Qorvo، مخترع QSPICE، بالتعمق في الشعبية المتزايدة والشمولية لأداة المحاكاة هذه. ويعزى صعود QSPICE إلى الصدارة إلى واجهته سهلة الاستخدام ووظائفه الواسعة، مما يجذب انتباه الأوساط الأكاديمية والصناعة على حد سواء. إن تفاني Engelhard في تحسين QSPICE، والذي يتجلى في تعامله الدقيق مع كود المصدر الشامل والمشاركة النشطة مع المستخدمين، قد عزز مكانته كمحاكي في مجتمع الإلكترونيات.

وفقًا لإنجلهارد، فإن ما يميز QSPICE هو التزامها بالشمولية، مما يوفر وصولاً غير مقيد إلى جميع الميزات، حتى للمنافسين. يعزز نموذج الشراكة المفتوحة هذا التعاون عبر صناعة أشباه الموصلات، بما يتماشى مع التحول الاستراتيجي لشركة Qorvo نحو التنويع. ومن خلال ضمان الوصول العادل وتشجيع المشاركة من الشركات المصنعة عبر الطيف، يجسد QSPICE روح التعاون التي تتجاوز الحدود التقليدية، مما يدفع الابتكار والتقدم في التصميم الإلكتروني والمحاكاة.

مقالة ثورة إلكترونيات الطاقة: رؤى من APEC 2024 حول GaN وSiC وما بعدها ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

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