أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG).

تتطور إلكترونيات الطاقة يومًا بعد يوم، وأصبحت تقنيات أشباه الموصلات واسعة النطاق ذات فجوة النطاق أكثر شيوعًا. بفضل درجات حرارة التشغيل المرتفعة وفولتية التبديل العالية والترددات، فإنها تحل عمليًا محل جميع حلول السيليكون القديمة. مما لا شك فيه أن أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG) تشكل ثورة حقيقية في مجال إلكترونيات المستقبل. وأهمها، مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)، التي أحدثت ثورة في عالم الإلكترونيات بفضل خصائصها الاستثنائية مقارنة بأشباه الموصلات التقليدية القائمة على السيليكون.

مقدمة

تغطي أشباه الموصلات في WBG سوق الإلكترونيات بالكامل، والذي كان يشغله السيليكون حتى الآن. يندرج كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) ضمن فئة أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG) ويقدمان العديد من المزايا مقارنة بأشباه موصلات السيليكون التقليدية، والتي وصلت الآن إلى حدود أدائها. وهي تتميز بفارق كبير بشكل خاص بين نطاقات التكافؤ والتوصيل. فجوة النطاق أعلى بثلاث مرات تقريبًا من فجوة السيليكون، وهذا يسمح بالوصول إلى درجات حرارة عمل أعلى، جنبًا إلى جنب مع جهد تشغيل أعلى.

تتمثل إحدى المزايا الرائعة لوحدات SiC وGaN MOSFETs في القيمة المنخفضة للمقاومة بين قنوات المصدر وقنوات الصرف عندما يكون المكون موصلاً. يتم تعريف هذه المعلمة على أنها Rds(ON) وهي إحدى القيم الأولى التي يجب على المصممين مراعاتها في أوراق البيانات. يمكن أن تكون هذه القيمة، خاصة بالنسبة لأجهزة SiC، أقل بألف مرة من مكون السيليكون. وبالتالي فإن مواد أشباه الموصلات الجديدة من WBG تمثل تحسنًا واضحًا مقارنة بالتقنيات الحالية وتتعلق المزايا بانخفاض فقدان الطاقة، وزيادة المتانة في درجات الحرارة المرتفعة، وإمكانية العمل بترددات تحويل وفولتية تشغيل أعلى بكثير.

كل من هذه أشباه الموصلات تجد التطبيق، وخاصة في مجال إلكترونيات الطاقة. بشكل عام، GaN أسرع من SiC، مما يسمح بسرعات تحويل أسرع. تقدم SiC جهدًا كهربيًا أعلى وأسعارًا أقل قليلاً. علاوة على ذلك، يتم توزيعها في حزم شائعة جدًا مثل TO-220، مما يسمح باستبدالها بشكل بسيط وسريع في المشاريع الحالية. كما يتبين من الشكل 1، فإن أشباه الموصلات، بالمعنى العام، هي مواد ذات موصلية كهربائية متوسطة بين الموصلات والعوازل.

يمكن ضبط هذه الموصلية عن طريق تطبيق مجال كهربائي على جهة اتصال معينة للمكون. يعد كربيد السيليكون أحد أشباه الموصلات الواعدة في WBG ويوفر كفاءة أعلى في استخدام الطاقة وتوليد حرارة أقل وعمرًا أطول ومقاومة للصدمات والاهتزاز. إن قدرة الإلكترون الكبيرة على التنقل في GaN تجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات عالية التردد لأن بوابتها لها سعة كهربائية منخفضة جدًا. من ناحية أخرى، يتمتع SiC بموصلية حرارية أعلى ويعتبر مثاليًا للدوائر منخفضة التردد وتطبيقات الطاقة العالية (مثل السيارات والطاقة الشمسية) حيث لا تكون هناك حاجة إلى تبديل عالي التردد. ومع ذلك، يعمل النظام بشكل أساسي بالجهد العالي.

التطبيقات

تعتبر المكونات الإلكترونية لأشباه الموصلات WBG مثالية لتطبيقات الطاقة، ولكن استخدامها متنوع للغاية في العديد من القطاعات. علاوة على ذلك، فإن SiC وGaN فعالان جدًا في إنشاء أجهزة مدمجة وعالية الكفاءة. يتمثل أحد مجالات الاستخدام الرئيسية اليوم في قطاع التنقل الكهربائي، المخصص للسيارات الكهربائية والبنى التحتية لشحن المركبات، والذي يكون قادرًا في بعض الأحيان على توصيل مئات الكيلووات. القطاعات المتعلقة بإنتاج الطاقة النظيفة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، هي أيضًا محور تركيز مكونات SiC و GaN، والتي غالبًا ما تعمل الأنظمة فيها بقدرات هائلة، حتى في نطاق الميجاواط.

وبطبيعة الحال، لا يتم استبعاد قطاع النقل بالسكك الحديدية، مع إدارة المحركات القوية للغاية والأتمتة الصناعية مع التحكم في الأجهزة الآلية والآلات الأوتوماتيكية. وبالخوض في مزيد من التفاصيل، تجد مكونات WBG تطبيقات واسعة في محولات الطاقة، وفي قيادة المحركات الكهربائية، والعاكسات، وأنظمة الإضاءة LED، وإمدادات الطاقة، وكذلك في أجهزة الاتصالات. يعتبر كربيد السيليكون مناسبًا بشكل خاص لتطبيقات الطاقة العالية لأنه يمكنه تحمل الفولتية العالية، أكثر بكثير من تلك التي يتحملها السيليكون. وتتميز بزيادة التوصيل الحراري مع فقدان الطاقة المنخفض. تعد مكونات SiC أيضًا مناسبة بشكل خاص للتطبيقات في أنظمة نقل الكهرباء والمركبات الكهربائية والأنظمة الكهروضوئية ومحطات الشحن. ومن الممكن بفضلها الحصول على مركبات ذات استقلالية أكبر، مما يسمح أيضًا بشحن أسرع مع تأثير أقل على البيئة.

مجال مهم للتطبيق يتمثل في الطاقة المتجددة. على سبيل المثال، تُستخدم محولات SiC في أنظمة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لتحسين كفاءة تحويل الكهرباء، وزيادة إنتاج الطاقة من المصادر المتجددة. ومع استخدام الجهد العالي، يمكن تقليل أقسام وتكاليف الكابلات. مع ترددات التبديل الأعلى لأجهزة WBG، أعلى بكثير من Si وGe، من الممكن إنشاء أجهزة أسرع وأكثر دقة، ولكن قبل كل شيء، أجهزة أقل حجمًا، حيث يمكن أن يكون للمكونات الحثية (المحاثة والمحولات) أبعاد أصغر.

المعلمة Rds(ON).

واحدة من أهم معلمات SiC أو GaN MOSFETs هي مقاومة قناة مصدر الصرف أثناء توصيلها، والتي تُعرف بـ Rds(on). أما في الأجهزة المصنوعة من السيليكون، فهي ترتبط بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة وترتفع أكثر بكثير من التناسب. هذه المشكلة موجودة أيضًا في أجهزة SiC ولكن بدرجة أقل بكثير. تتفوق أجهزة GaN أيضًا على السيليكون في هذا الصدد. بالنسبة لأشباه الموصلات هذه أيضًا، يتم تقليل قيمة Rds(on) بشكل كبير. في تبديل التطبيقات، ولكن أيضًا في التطبيقات الثابتة، توفر دوائر WBG MOSFET فقدانًا أقل للطاقة ويمكن أن تعمل بجهد وترددات عالية جدًا.

وبالتالي فإن تقليل هذه المعلمة يساهم في تقليل خسائر التوصيل بشكل كبير. الرسم البياني الكهربائي في الشكل 2 هو مثال تطبيقي يمر فيه تيار مرتفع جدًا عبر حمل الطاقة (R1). يتميز جهاز SiC، المستخدم في هذا المثال في الوضع الثابت، بالخصائص التالية:

• الموديل: UF3C065030K3S
• جهد مصدر التصريف: 650 فولت
• المقاومة النموذجية لمصدر التصريف: 27 متر مكعب
• تيار التصريف المستمر: 85 أ
• تيار التصريف النبضي: 230 أ
• تبديد الطاقة: 441 وات
• أقصى درجة حرارة تقاطع: 175 درجة مئوية

في الرسم البياني، يسمح الجهد الكهربي الموجود على البوابة لـ MOSFET بتوصيل تيار مرتفع جدًا، حوالي 32 أمبير، إلى حمل 3Ω. أثناء تشغيل الحالة المستقرة للدائرة، يمكن اكتشاف القوى التالية:

• الطاقة المولدة من المولد V1: 3045.47 واط
• الطاقة المتبددة بالحمل R1: 3019.17 واط
• الطاقة المتبددة بواسطة MOSFET M1: 26.30 وات

إن الطاقة المتعلقة ببوابة MOSFET ليست ذات صلة لأنها في ترتيب uW. بمعرفة الجهد الكهربائي الموجود على مصرف الجهاز والتيار المتدفق عبر الحمل، من السهل جدًا حساب قيمة Rds(on) كما يلي:

تؤكد القيمة المحسوبة حديثًا لـ Rds(on) البيانات المنشورة في ورقة البيانات الرسمية للمكون وهي مستقرة تمامًا وثابتة لمجموعة واسعة من ظروف التشغيل.

الآن، من الرائع تحليل وملاحظة الاختلافات في Rds(on) بناءً على التغيرات في المعلمات المختلفة. تسلط الرسوم البيانية في الشكل 3 الضوء على اتجاه هذه المعلمة مع التغير في القيم الأخرى وعلى وجه الخصوص:

• يوضح الرسم البياني الأول في الأعلى “Rds(on) vs. درجة الحرارة” قيم مقاومة الجهاز أثناء التوصيل، مع تغيير درجة حرارة الوصلة بين -20 درجة مئوية و+180 درجة مئوية، لنفس الحمل. وكما نرى، فإن قيم هذه المقاومة منخفضة للغاية
• الرسم البياني الثاني في المنتصف “Rds(on) vs.استنزاف التيار” يوضح قيم مقاومة الجهاز في التوصيل، مع تغيير التيار المتدفق على استنزاف MOSFET عند درجات حرارة 0 درجة مئوية، 70 درجة مئوية، و 140 درجة ج. وفي هذه الحالة، تكون القيمة المعنية مستقرة جدًا
• الرسم البياني الثالث أدناه “Rds(on) مقابل جهد مصدر البوابة” يوضح قيم مقاومة جهاز التوصيل، مع تغيير جهد القيادة لـ MOSFET على البوابة. يبدأ تحليل الرسم البياني بجهد 7 فولت نظرًا لأن القيم المنخفضة لن تسمح للجهاز بالتوصيل

انخفاض خسائر التبديل

نظرًا لأن أشباه الموصلات WBG تتمتع بمقاومة توصيل أقل من السيليكون والجرمانيوم، فإنها تبدد حرارة أقل عند توصيل التيار. علاوة على ذلك، نتيجة لجهد الانهيار العالي، يمكنها تحمل الفولتية الأعلى دون التعرض للتلف. تسمح الفولتية العالية والتيارات المنخفضة بإنشاء أجهزة أصغر وأكثر كفاءة، والتي تتطلب تبريدًا أقل وتستهلك طاقة أقل. ونظرًا للترددات العالية المعنية، يمكن أيضًا أن تكون المكونات الحثية أصغر بكثير.

اليوم، مع الخصائص الثورية لمكونات WBG، تتحكم أنظمة تشغيل المحركات أو، بشكل عام، أجهزة الطاقة في تعديل عرض النبض (PWM) لتغيير القدرة على الحمل. تسمح هذه الأساليب بالحصول على عزم دوران عالي في المحركات وتكون ذات كفاءة عالية في أي نظام سرعة. ومع ذلك، فهي تتأثر بفقدان التحويل عالي التردد الذي لا مفر منه، حيث أن المحولات الإلكترونية ليست مكونات مثالية، فهي لا تتميز بالسرعة اللانهائية ولها سعة إدخال وإن كانت صغيرة مما يمنع تحويل الإشارة بشكل مثالي ونظيف. وتركز بعض الدراسات على فهم أصل هذه الخسائر وترددات تبديل النظام.

تعتمد كمية الطاقة المفقودة على نوع المخطط الكهربائي وترتبط مباشرة بتردد التبديل. من الطبيعي أن تؤدي ترددات التبديل الأعلى إلى زيادة خسائر التبديل بسبب العدد الأكبر من أحداث تغيير المنطق التي تحدث. في الواقع، لم تعد المكونات الإلكترونية قادرة على “متابعة” التبديل بدقة من نقاط معينة. لذلك، يعد اختيار تردد التحويل المناسب أمرًا مهمًا للغاية لتحسين الكفاءة الإجمالية لنظام الطاقة. في الشكل 4، من الممكن ملاحظة اللحظات التي تحدث فيها خسائر التبديل، أي بالتوافق مع الحواف الصاعدة والهابطة لإشارة البوابة، وهي تلك المستخدمة لفتح أو إغلاق قناة DS الخاصة بـ MOSFET. في اللحظات التي تلي تبديل المستوى المنطقي، لا يكون الجهد والتيار العابر فوريًا ومفاجئًا، لذلك هناك بعض اللحظات التي تتسبب فيها هذه القيم، التي ليست صفرًا، في زيادة الطاقة التي يتبددها MOSFET. علاوة على ذلك، كما ذكر أعلاه، تزداد قيمة الخسائر مع زيادة تردد التشغيل، وبالفعل بعد 30 كيلو هرتز، اعتمادًا على النموذج المستخدم، قد تكون هذه الخسائر غير مقبولة.

خاتمة

كما يمكن الاستدلال عليه من الفقرات السابقة، توفر أشباه الموصلات المزودة بتقنية WBG مزايا مهمة من حيث الموثوقية وكفاءة الطاقة وكثافة الطاقة وخفض التكلفة. تعتبر مكونات SiC و GaN مثالية لتطبيقات الطاقة، مثل السيارات والنقل وتحويل الطاقة وقطاع الطاقة المتجددة. مع أشباه الموصلات WBG، هناك بلا شك خسائر أقل أثناء تشغيل الجهاز، مما يسمح بأداء أكثر كفاءة وتحويل أفضل للطاقة، بالإضافة إلى تبديد حرارة أقل. ومن خلال استخدامها على نطاق واسع، يتم تحقيق انخفاض كبير في التأثير البيئي على استدامة الطاقة، حيث أنها تساهم أيضًا في تقليل انبعاثات الغازات الدفيئة.

التدوينة أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG) ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.