قواطع الدائرة المتقدمة: تعيد تقنية JFET الجديدة ذات 4 متر مكعب من SiC تحديد معايير أجهزة الطاقة

كشفت شركة Qorvo عن أول ترانزستور تأثير مجال الوصلات من كربيد السيليكون (SiC) بقدرة 4 ملي أوم في الصناعة (JFET) موجود في حزمة TOLL. يمثل هذا الإنجاز أدنى مقاومة على أجهزة الطاقة من 650 فولت إلى 750 فولت في العبوات المنفصلة القياسية، مما يقلل بشكل كبير من توليد الحرارة. مع استخدام حزمة TOLL المدمجة، تعمل UJ4N075004L8S على تقليل حجم الحل بنسبة 40% مقارنة بحزم TO-263 التقليدية، مما يعالج القيود المكانية لقواطع الدوائر الكهروميكانيكية الحديثة. يؤدي أدائه الحراري الفائق إلى إلغاء الحاجة إلى أنظمة تبريد واسعة النطاق، وبالتالي تسريع عملية الانتقال إلى قواطع الدائرة الصلبة القائمة على أشباه الموصلات (SSCBs).

في مقابلة مع Power Electronics News، سلط آندي ويلسون، كبير تطوير الأعمال في Qorvo، الضوء على أهمية هذا الحل الجديد لتطبيقات حماية الدوائر بما في ذلك قواطع الدوائر ذات الحالة الصلبة، حيث تكون المقاومة المنخفضة والأداء الحراري الفائق وصغر الحجم والموثوقية ذات أهمية قصوى .

“يسعدنا أن نعلن عن طرح جهاز JFET المبتكر بقدرة 4 ملي أوم، وهو تقدم كبير في تكنولوجيا حماية الدوائر، لا سيما في مجال قواطع الدائرة ذات الحالة الصلبة. وقال ويلسون إن هذا التطور يستعد لتحويل الصناعة.

أحدث JFET من Qorvo قادر على تحمل درجات حرارة الوصلات اللحظية العالية دون انحراف أو تدهور حدودي. تعمل حالة التشغيل العادي لـ JFET على تسهيل تكاملها السلس في الأنظمة التي يكون فيها المحول في حالة التشغيل افتراضيًا وفي حالة إيقاف التشغيل في ظل ظروف الخطأ.

يتوفر UJ4N075004L8S حاليًا لأخذ العينات، وسيكون الإنتاج الكامل في الربع الأخير من عام 2024. وسيتم استكمال عائلة SiC JFET بمتغيرات، مثل 750 فولت مع 5 ملي أوم و1200 فولت مع تصنيفات 8 ملي أوم، وكلاهما معبأ في TO-247.

سوق قواطع دوائر الحالة الصلبة

ينشأ سوق قواطع الدائرة ذات الحالة الصلبة (SSCB) بسرعة، مدفوعًا بالحاجة إلى حماية الدوائر المتقدمة وكفاءتها. وفقًا لويلسون، في حين أن قواطع الدائرة الكهروميكانيكية كانت منذ فترة طويلة هي المعيار الصناعي، فقد شهدت الأشهر 18 إلى 24 الماضية ارتفاعًا كبيرًا في تطوير بدائل الحالة الصلبة. ويتغذى هذا التحول على خصائص الأداء المتفوق لتقنيات الحالة الصلبة، مثل أوقات الاستجابة الأسرع والموثوقية الأكبر وتحسين كفاءة الطاقة.

تعتبر تقنية JFET، على وجه الخصوص، مناسبة تمامًا لـ SSCBs. توفر JFETs فقدان توصيل منخفض، وثباتًا حراريًا عاليًا، والقدرة على مقاطعة التيارات العالية، مما يجعلها مناسبة تمامًا لتوزيع الطاقة الحديثة واحتياجات الحماية. مع تزايد الطلب على أنظمة كهربائية أكثر قوة وكفاءة، من المتوقع أن يزداد اعتماد SSCBs المستندة إلى JFET، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا حماية الدوائر التي تمهد الطريق لحلول أكثر مرونة وكفاءة لإدارة الطاقة.

التحديات والحلول في تطبيقات الجهد العالي

في التطبيقات ذات الجهد المنخفض مثل الصمامات الإلكترونية 12 فولت أو 48 فولت، يظل السيليكون هو التكنولوجيا السائدة نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة وحجمه الصغير عند الفولتية المنخفضة التصنيف. ومع ذلك، بالنسبة لتطبيقات الجهد العالي، وخاصة تلك التي تتطلب 230 فولت تيار متردد وتيارات تتجاوز 10 أمبير، تواجه الحلول القائمة على السيليكون قيودًا كبيرة ما لم يتم تنفيذ طرق تبريد متقدمة. نظرًا لأن الاتجاه هو تطوير SSCBs التي يمكن تركيبها في لوحات قواطع الدائرة الحالية ذات التبريد المحدود، فإن الهدف هو تقليل المقاومة الإجمالية لمفتاح أشباه الموصلات لتقليل كمية الحرارة المتولدة. ونظرًا لهذا القيد، يظهر كربيد السيليكون (SiC) كبديل متفوق بسبب انخفاض R بشكل كبير._{DS (على)} ضمن نفس حجم الحزمة، مما يعزز الكفاءة والأداء.

وقال ويلسون: “على الرغم من أن دوائر SiC MOSFET قابلة للتطبيق، إلا أننا نعطي الأولوية لـ JFETs لأدائها المتفوق”. “لا تحقق JFETs مستوى R أقل فقط_{DS (على)} في حجم حزمة مماثل، ولكنها توفر أيضًا متانة أكبر.

“على سبيل المثال، يتفوق أداء JFET الجديد الذي يحتوي على 4 ملي أوم من السيليكون على محلول السيليكون 22 ملي أوم في نفس الحزمة، مما يعني ضمنيًا أن خمسة أجهزة سيليكون ستكون ضرورية لمطابقة الأداء الحراري لـ SiC JFET واحد. وهذا يسلط الضوء على المزايا المهمة لـ SiC JFETs في التطبيقات عالية الطاقة، مما يضمن الكفاءة والموثوقية.

تطوير واختبار تقنية JFET

وفقًا لويلسون، أبرز التعاون مع العملاء الرئيسيين أن حل cascode الحالي الخاص بهم، المُحسّن للتبديل عالي التردد في تحويل الطاقة، لا يلبي تطبيقات حماية الدوائر. تتطلب حماية الدائرة تحويلاً أبطأ نسبيًا لإدارة امتصاص الطاقة أثناء أحداث التبديل.

“وبالتالي، قمنا بتطوير خط جديد من SiC JFETs المصمم خصيصًا لحماية الدوائر. يمكن لهذه JFETs القوية جوهريًا أن تتحمل الأحداث الحالية العالية غير المحدودة دون تدهور. وقال ويلسون: “إن هذه المتانة ضرورية للتعامل بأمان مع الزيادات الحالية الكبيرة وتيارات التدفق العالية المميزة لظروف الأعطال، بما في ذلك أحداث الدائرة القصيرة”.

في قواطع الدائرة، حيث يمكن أن يرتفع التيار إلى 20 ضعفًا من التيار الاسمي أثناء الدوائر القصيرة، يجب أن تتعامل JFETs مع تيارات التدفق العالية وتمتص طاقة كبيرة. تخطط شركة Qorvo لاختبار 100 4 ملي أوم من JFETs لتبديل 350 أمبير عند درجة حرارة 100 درجة مئوية لمدة 1.5 مليون دورة. المعلمات الرئيسية مثل المقاومة الحرارية، وتيار التسرب، وجهد العتبة، وR_{DS (على)} سيتم قياسها قبل وبعد الاختبار. وفقًا لويلسون، تشير الاختبارات الأولية إلى عدم وجود انحراف في المعلمات، مع تضمين الجولات المستقبلية أجزاء منافسة.

المزايا الرئيسية واعتماد السوق

على الرغم من التباين الحالي في التكلفة مع الحلول الكهروميكانيكية، توفر خيارات الحالة الصلبة فوائد مثل الاتصال عن بعد وإدارة الأحمال. المعايير الناشئة (UL 489I، IEC 60947-10) سوف تعزز اعتمادها.

“يتكامل المعالج الدقيق الذي يدعم إنترنت الأشياء من Qorvo مع JFETs لدينا، مما يعزز التحكم في قواطع الدائرة. في حين أن حلول الحالة الصلبة تكتسب زخمًا في القطاعات الحيوية للسلامة مثل الطيران والسكك الحديدية، فإن التبني الصناعي الأوسع سيتبع ذلك مع انخفاض تكاليف كربيد السيليكون، مدفوعة بسوق السيارات الكهربائية. تُظهر التطورات من منتجاتنا من الجيل الثالث إلى الجيل الرابع واعدة R_{DS (على)} قال ويلسون: “إن التخفيضات تشير إلى المزيد من إمكانات الابتكار”.

على الرغم من أن المعايير التنظيمية مثل UL 489I في الولايات المتحدة وIEC 60947-10 في أوروبا لا تزال تتطور، إلا أن تطويرها يدعم اعتماد حلول الحالة الصلبة. ستعمل حماية الدوائر المستقبلية على دمج تقنيات مثل JFETs، مما يوفر أداءً فائقًا ومتانة.

وقال ويلسون: “تهدف تطوراتنا المستمرة إلى تقديم هذه الحلول المبتكرة، إيذانا ببدء عصر جديد من السلامة والكفاءة والموثوقية في حماية الدوائر”.

المنشور قواطع الدائرة المتقدمة: جديد 4-mΩ SiC JFET يعيد تعريف معايير أجهزة الطاقة ظهر لأول مرة على Power Electronics News.