توقعات 2024 GaN لأشباه الموصلات للطاقة

وبينما يسعى العالم جاهداً لتحقيق أهداف إزالة الكربون وتحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية، فإن أحد الأساليب الرئيسية هو زيادة كهربة العرض والطلب على الطاقة. يعد تحويل الطاقة عالي الكفاءة عامل تمكين أساسي لكليهما. على جانب العرض، تعتبر تطبيقات تحويل الطاقة المتجددة مثل محولات الطاقة الشمسية، وكهربة وسائل النقل على جانب الطلب، أمثلة حيث يحقق استخدام أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG) مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) مزايا في كفاءة تحويل الطاقة وكثافة الطاقة. تلخص هذه المقالة الكتاب الإلكتروني لتنبؤات أشباه موصلات طاقة GaN لعام 2024 من شركة Infineon Technologies.

زيادة الكهربة العالمية

يعود الطلب المتزايد على الكهرباء إلى عدة عوامل، نذكر بعضها أدناه:

• يتسارع التحول من محركات الاحتراق الداخلي المعتمدة على الوقود الأحفوري إلى السيارات الكهربائية، حيث يؤدي تحسين التكلفة والتكنولوجيا والبنية التحتية إلى زيادة الطلب.
• إن التحول إلى مضخات الحرارة الكهربائية في التدفئة المنزلية السكنية والتجارية مدفوع مرة أخرى بالتكلفة والتحسن الكبير في الكفاءة مقارنة بغلايات الغاز التقليدية. تشهد التطبيقات الصناعية الأخرى مثل إنتاج الصلب أيضًا زيادة في استخدام الأفران الكهربائية. التطبيقات المتوقع أن تستخدم الهيدروجين لتوليد الحرارة مثل إنتاج المواد الكيميائية السائبة وسكك الشحن تتطلب طاقة كهربائية لإنتاجها.
• أدى نمو الاقتصاد الرقمي واستخدام الذكاء الاصطناعي إلى زيادة هائلة في حجم البيانات في جميع أنحاء العالم. هناك حاجة إلى كميات كبيرة من الطاقة لتشغيل مراكز البيانات وأنظمة التبريد الخاصة بها.

تبلغ حصة الكهرباء من استهلاك الطاقة في العالم حوالي 20%. ومن المتوقع أن يتسارع هذا الأمر في السنوات المقبلة، حيث يضع سيناريو صافي الانبعاثات الصفرية بحلول عام 2050 هذه النسبة بأكثر من 50%.¹. دعونا نلقي نظرة على بعض قطاعات العرض والطلب الرئيسية حيث من المتوقع أن تلعب أشباه موصلات الطاقة GaN دورًا حيويًا.

طاقة شمسية

ستكون المحولات الدقيقة والمحسنات ومكيفات الطاقة القائمة على GaN أكثر كفاءة في تحويل الكهرباء المولدة بالتيار المستمر من الألواح الكهروضوئية إلى كهرباء تيار متردد قابلة للاستخدام يمكنها تشغيل المنازل ومحطات الشحن والمركبات الكهربائية. من المتوقع أن تنخفض تكلفة الطاقة المستوية (LCOE) للطاقة الشمسية السكنية بشكل أكبر في عام 2024، مما يجعلها حلاً ميسور التكلفة بشكل متزايد. يؤدي الطلب على الألواح الكهروضوئية ذات الطاقة العالية وحلول تخزين البطاريات إلى زيادة الحاجة إلى محولات الطاقة الأعلى. تتيح الحلول المستندة إلى GaN كفاءة أعلى وتقليل حجم النظام وهيكليات أبسط.

تتيح طبولوجيا العاكس الصغير ثنائية الاتجاه تكاملًا أسهل لحلول تخزين الطاقة (ESS) بكفاءة عالية. ويتوقع التقرير أيضًا مستوى أكبر من التكامل الذكي لتوليد الطاقة الكهروضوئية في شبكة الطاقة الرئيسية، في كل من الشبكة الصغيرة (5 كيلوواط – 500 كيلوواط) والتوليد المركزي على نطاق المرافق (100 ميغاواط). وهذا سيضمن استقلال الطاقة ومرونتها لكل من المجتمعات الريفية والحضرية.

مراكز البيانات

وفقًا لوكالة الطاقة الدولية، استهلكت مراكز البيانات في عام 2022 حوالي 2% من إجمالي الكهرباء في العالم (حوالي 460 تيراواط/ساعة)، مع استخدام 40% منها للتبريد. يسير حجم البيانات التي يتم إنشاؤها في جميع أنحاء العالم على مسار نمو هائل، مع توقعات بوصولها إلى 175 زيتابايت بحلول عام 2025، أي بزيادة قدرها 146 ضعفًا عن عام 2010.². يؤدي استخدام الذكاء الاصطناعي إلى زيادة الطلب الحسابي بشكل كبير، وبالتالي بصمة الطاقة. من المعتقد على سبيل المثال أن استعلامًا واحدًا من الذكاء الاصطناعي له بصمة كربونية أكبر بأربع مرات من طلب محرك البحث³.

شهدت أشباه موصلات الطاقة GaN طلبًا قويًا في تطبيقات مراكز البيانات. لن تؤدي اللوائح الحكومية الجديدة إلا إلى تسريع هذا الأمر. من المتوقع معالجة الثغرات الموجودة في فعالية استخدام الطاقة (PUE) فيما يتعلق بكفاءة تحويل طاقة مصدر الطاقة للخادم، إلى جانب تفويضات الكفاءة الأعلى لمراكز البيانات. تتمثل مزايا التشغيل في درجات حرارة منخفضة باستخدام GaN في تقليل متطلبات طاقة التبريد والحجم. كما يسمح الزخم للتبريد السائل للوحة الباردة أيضًا بزيادة أداء الخادم.

التنقل الإلكتروني

تظهر مبيعات السيارات الكهربائية نمواً قوياً، حيث من المتوقع أن ترتفع المبيعات بنسبة 21% في عام 2024 وتتجاوز ثلثي مبيعات السيارات العالمية بحلول عام 2030⁴. لعبت أجهزة الطاقة SiC دورًا رائدًا في عاكس الجر EV. وفي سوق السيارات، من المتوقع أن يلعب GaN دورًا بارزًا بشكل متزايد خلال السنوات القليلة المقبلة. من المرجح أن يُنظر إلى أشباه موصلات الطاقة GaN كبديل فعال من حيث التكلفة لحلول Si وSiC في أنظمة الحافلات 400 فولت.

من المحتمل أن تكون أجهزة الشحن المدمجة (OBCs) ومحولات DC-DC هي أهداف التطبيق الأولية لـ GaN. في أنظمة الناقلات سريعة الشحن بقدرة 800 فولت، يمكن أن تكون طوبولوجيا GaN متعددة المستويات حلاً قابلاً للتطبيق أيضًا. مع استمرار انخفاض تكاليف البطارية، تسمح زيادة الكفاءة وكثافة الطاقة مع GaN بتخفيض التكلفة الإجمالية بشكل تآزري إلى جانب تحسين نطاق قيادة السيارة الكهربائية.

الأسواق الاستهلاكية والتجارية

اعتبارًا من عام 2024، سيُطلب من الهواتف المحمولة أو الأجهزة اللوحية أو الكاميرات المباعة داخل الاتحاد الأوروبي أن تتضمن منفذ شحن USB من النوع C. وهذا يبسط تجربة المستخدم النهائي. ويمكن استخدام نفس محولات الطاقة ذات مستويات الطاقة المتزايدة عبر مجموعة واسعة من الأجهزة، بدءًا من الهواتف وحتى أجهزة الكمبيوتر المحمولة، مما يؤدي إلى تبسيط تجربة الشحن. تُستخدم أجهزة GaN بالفعل على نطاق واسع في العديد من محولات الطاقة، وستؤدي متطلبات الكفاءة العالية والبصمة الصغيرة إلى تسريع هذا الاتجاه.

تشير التقديرات الواردة في هذا الكتاب الإلكتروني إلى توفير الطاقة المنزلية السنوي من خلال استخدام أجهزة الشحن عالية الكفاءة في الهواتف الذكية بما يزيد عن 2.3 جيجاوات في الساعة في مدينة كبيرة مثل ميونيخ، ألمانيا، مع تخفيض قدره 1.1 كيلو طن من ثاني أكسيد الكربون.₂ الانبعاثات المكافئة ومن المرجح أيضًا أن تستفيد صناعة الصوت من الأداء المتفوق لـ GaN في التصميمات الصوتية من الفئة D، مما يجعل أنظمة الصوت في السيارة أخف وزنًا وأصغر حجمًا وأكثر كفاءة. سيتم تمكين أنظمة مضخمات الصوت الاحترافية عالية الكفاءة متعددة الكيلووات بواسطة GaN. صوت المستهلك عالي الدقة مع تصميمات أبسط مع GaN سيمنح المستهلكين تحسنًا ملحوظًا في تجربة الصوت.

خاتمة

استحوذت شركة Infineon Technologies على GaN Systems في أكتوبر 2023. وقد أدى ذلك إلى تسريع خارطة طريق GaN الخاصة بها. تتضمن مجموعة منتجات GaN الخاصة بهم مجموعة من أجهزة GaN HEMT ذات الوضع الإلكتروني والتي تتراوح من 100 فولت إلى 700 فولت في مجموعة متنوعة من حزم SMT المبتكرة. ومن المتوقع أن تلعب هذه الأجهزة دورًا حيويًا في التطبيقات التي تتراوح من التنقل الإلكتروني إلى محولات الطاقة وتساعد في تحقيق هدف تحقيق اقتصاد صافي صفر.

مراجع

¹ توقعات الطاقة العالمية 2023
² https://www.seagate.com/files/www-content/our-story/trends/files/Seagate-WP-DataAge2025-March-2017.pdf
³ https://www.washingtonpost.com/business/energy/2023/08/27/bitcoin-s-energy-usage-offers-a-lesson-for-ai-s-future/fa3ac166-4527-11ee-b76b- 0b6e5e92090d_story.html
⁴ https://emobilityplus.com/2023/10/17/global-ev-sales-set-to-surpass-two-thirds-of-total-sales-by-2030-report/#google_vignette

ظهرت التدوينة 2024 GaN Power Semiconductor Predictions للمرة الأولى على Power Electronics News.