دور GaN في إزالة الكربون

أحدثت أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG) ثورة في صناعة إلكترونيات الطاقة على مدى السنوات القليلة الماضية. لقد مكنت مكاسب الكفاءة والطوبولوجيا الجديدة لتحويل الطاقة باستخدام أجهزة كربيد السيليكون (SiC) أو نيتريد الغاليوم (GaN) من النمو القوي لهذه الأجهزة عبر قطاع واسع من التطبيقات الصناعية والتجارية. في هذه المقالة، سنلخص مقابلة بودكاست مع تيم ماكدونالد، من شركة Infineon Technologies، إل سيغوندو، كاليفورنيا. أجرى ماوريتسيو دي باولو إميليو، رئيس تحرير موقع Powerelectronicsnews.com هذه المقابلة.

دور إلكترونيات الطاقة في إزالة الكربون

ويتطلب هدف خفض انبعاثات الكربون إلى الصفر الذي حددته معظم البلدان العديد من الجهود الموازية. بعض هذه هي:

• زيادة استخدام الطاقة المتجددة
• زيادة كهربة استخدام الطاقة التي تعتمد حاليًا على الوقود الأحفوري
• تحديث شبكة الكهرباء لتمكين تدفق الطاقة المتجددة ثنائي الاتجاه بسلاسة وبكفاءة عالية
• تطوير البنية التحتية لتخزين الطاقة وشحن المركبات
• كفاءة عالية في تحويل الطاقة في مرحلة الاستخدام النهائي

تترجم تحسينات الكفاءة في تحويل الطاقة إلى تقليل استخدام الطاقة وفقدانها. تتيح المزايا المادية الجوهرية لأجهزة WBG قياس الجهد بشكل أكثر كفاءة، وتقليل خسائر التوصيل وتحويل الطاقة، والاستفادة على مستوى النظام من انخفاض حجم المغناطيسات بسبب ترددات التبديل الأعلى ومتطلبات التبريد الأبسط لنقل طاقة معين.

يخلق الترانزستور الجانبي عالي الحركة الإلكترون GaN (HEMT) مزايا الجهاز من خلال حركة القناة العالية والسعة الطفيلية المنخفضة. من الممكن استخدام طبولوجيا أبسط مثل مرحلة تصحيح عامل القدرة (PFC) القائمة على الطوطم، وقد تم إثبات تحسينات الكفاءة بعدة نقاط مئوية عبر الحلول القديمة القائمة على السيليكون (Si). لنفكر في حالة شاحن الهواتف المحمولة بقدرة 65 واط. من المقدر أن استخدام تقنية GaN-on-Si عبر Si يستخدم طاقة أقل بنسبة 50%/القالب الناتج عن تصنيع Fab ويقلل ثاني أكسيد الكربون.₂ يتم إنتاجها بواقع 2.1 كجم من إنتاج الشواحن وتوزيعها والتخلص منها. ترجع هذه الفوائد إلى تدفق عملية أبسط، وحجم قالب أصغر مطلوب لتصنيف طاقة معين، بالإضافة إلى عدد قليل من المكونات المطلوبة على مستوى النظام. وبإضافة ذلك إلى توفير كفاءة المستخدم النهائي، يتم توفير 4.6 كجم من ثاني أكسيد الكربون₂ يتم تقدير التخفيض/الشاحن بناءً على الاستخدام لمدة 3 سنوات.

ومع كهربة المزيد من عمليات استخدام الطاقة التجارية والصناعية، مثل التدفئة والنقل، فإن تحسينات الكفاءة الموضحة أعلاه تساعد في الجهود الشاملة لإزالة الكربون الناتجة عن إنتاج الطاقة المتجددة.

استخدام التطبيق التكميلي لـ SiC و GaN

صرح ماكدونالد أن مساحة التطبيق الحالية لـ SiC و GaN متكاملة. لقد شهد SiC استخدامًا قويًا في الطاقة الأعلى والجهد العالي كما هو الحال في محولات الجر للمركبات الكهربائية. من ناحية أخرى، وجدت أجهزة GaN HEMTs الجانبية استخدامًا واسع النطاق في مساحة تطبيقات الطاقة المتوسطة إلى المنخفضة التي تقل عن 650 فولت. ومع ذلك، فإن هذه الحدود مرنة حيث يتم إجراء تحسينات في هاتين التقنيتين على مدى السنوات القليلة المقبلة. تعد الجودة والتكلفة من العوامل الرئيسية التي تحدد استخدام التكنولوجيا في أي مجال تطبيقي. في حالة SiC، تعد الرقائق مقاس 6 بوصات هي نقطة البداية المهيمنة لشركة Fab، في حين يتم الآن استخدام GaN-on-silicon مقاس 8 بوصات من قبل العديد من الشركات المصنعة للأجهزة. يمكن تحقيق وفورات في التكاليف على المدى الطويل في كليهما باستخدام أقطار أكبر من الرقاقات. تتمتع أجهزة GaN بإمكانية استخدامها في شواحن البطاريات، خاصة بالنسبة لمستويات جهد البطارية 400 فولت، ومحولات DC-DC داخل صناعة السيارات الكهربائية. هنا المنافسة بشكل رئيسي من أجهزة Si. يعد قطاع السيارات هو الأكثر تطلبًا من حيث متطلبات الموثوقية، ولكنه أيضًا الأكثر فائدة من حيث حجم السوق.

اختيار الركيزة

كان التطوير الأولي لترانزستورات GaN مخصصًا للاستخدام في تطبيقات الترددات اللاسلكية. تُستخدم هنا عادةً ركائز SiC، مع مزايا مطابقة الشبكة والخصائص الحرارية بشكل أفضل. تستفيد تقنية GaN-on Si السائدة اليوم في تطبيقات إلكترونيات الطاقة من التكلفة المنخفضة لرقائق Si، بالإضافة إلى 75 عامًا من الخبرة في صناعة تصنيع أجهزة Si. من المحتمل أن تكون هذه التقنية قابلة للتطوير إلى أقطار الرقاقة الكبيرة. لقد حدت عدة عوامل من استخدام جهاز HEMT الجانبي المصنوع بتقنية GaN-on-Si إلى 650 فولت أو أقل. وتشمل هذه الحاجة إلى طبقات عازلة أكثر سمكًا عند الفولتية الأعلى وزيادة الحجم الجانبي، وكلاهما يترجم إلى تكاليف أعلى. يُنظر إلى احتمالين آخرين على أنهما واعدان في توسيع نطاق الجهد لجهاز HEMT الجانبي. تتمتع ركائز الياقوت، المستخدمة في سوق GaN البصري، بالعديد من المزايا. وتشمل هذه تحسين مطابقة الشبكة وعزلها، مما يسمح باستخدام طبقات أرق وبالتالي تقليل تكاليف الإنتاج. يمكن أن يكون GaN-on-sapphire واعدًا في إنشاء أجهزة ذات جهد أعلى. كما أظهرت الركائز الخزفية الهندسية ذات المطابقة الشبكية المحسنة نتائج واعدة، مع عرض أجهزة الجهد العالي.

مساحة تطبيق Power GaN

أدى استخدام أجهزة GaN في المحولات/الشواحن إلى تمكين الشحن بكثافة طاقة أعلى. إلى جانب ميزة الكفاءة الرئيسية، يتم اكتساب بعض الفوائد الأخرى من تطبيقات الشحن المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. يمكن استيعاب البطاريات الأكبر حجمًا، مما يسمح إما بفترة استخدام أطول بين الشحنات، أو استخدام مجموعة ميزات أكثر ثراء/سرعة أعلى في هذه الأجهزة. يمكن أيضًا استخدام أجهزة الشحن ذات الطاقة العالية هذه بشكل أكثر عالمية للعديد من الأجهزة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، مما يخفف عبء السفر عند استخدام هذه الأجهزة. مساحة تطبيق أخرى لـ GaN لديها إمكانات كبيرة للنمو المستقبلي هي مراكز البيانات والاتصالات.

يُترجم الاستخدام المتزايد للذكاء الاصطناعي (AI)، والتخزين/الحوسبة السحابية، والاتصال عالي السرعة إلى مراكز بيانات كبيرة تتطلب استهلاكًا عاليًا للطاقة. وبالتالي فإن تحسينات الكفاءة في توزيع الطاقة وتحويلها تترجم إلى انخفاض كبير في صافي خسائر الطاقة في هذا التطبيق. ومع تحسين تكلفة وجودة GaN، سيتم تمكين المزيد من التطبيقات. يمكن أن يشمل ذلك محركات الأقراص المستخدمة في عدد كبير من التطبيقات التجارية والصناعية.

من المرجح أيضًا أن تشهد تطبيقات السيارات مثل الشاحن الموجود على متن الطائرة (OBC) ومحولات DC-DC زيادة في اعتماد GaN، حيث تتغلب مزايا الكفاءة والأداء على السيليكون على عيوب تكلفة القالب. تتوقع العديد من الدراسات الاستقصائية للسوق نموًا قويًا للغاية في سوق أجهزة طاقة GaN بشكل عام على مدى السنوات القليلة المقبلة، مع تجاوز الطلب الإجمالي مليار دولار بحلول عام 2028. وسيعمل قطاعا السيارات والتنقل الإلكتروني على تضخيم النمو القوي بالفعل في قطاعي الهاتف المحمول والنقل الإلكتروني. السوق الاستهلاكية التي يتمتع بها GaN.

تعاون أكبر بين الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومة

وقد أعطى الوضع الجيوسياسي الحالي زخما للتمويل الحكومي في قطاعات الصناعة الرئيسية مثل إنتاج الرقائق. وسيتم دعم تطوير وإنتاج أشباه الموصلات في مجموعة البنك الدولي من خلال هذه المنح والإعانات. كما زاد نطاق التعاون بين الصناعة والأوساط الأكاديمية. ولا يقتصر هذا على مرحلة البحث الحاسمة اللازمة لمزيد من التحسين في تصميم الأجهزة والدوائر وهندستها المعمارية، ولكن أيضًا من حيث تدريب المهندسين والفنيين على المعرفة والمهارات المطلوبة لملء نمو الوظائف المتوقع في الصناعة. إن العوامل الرئيسية لتحسين التكلفة والجودة، مثل خصائص الركيزة، وتقليل العيوب، وتحسين معايير الموثوقية، ستؤدي جميعها إلى تسريع استخدام أجهزة WBG في تطبيقات تحويل الطاقة. ستستفيد إزالة الكربون من توافر التكنولوجيا الخضراء منخفضة التكلفة، وستكون أشباه الموصلات في مجموعة البنك الدولي جزءًا مهمًا من هذا في مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتراوح بين التنقل الإلكتروني، ومراكز البيانات، وتوليد الطاقة المتجددة، والتخزين والتوزيع، ومحركات السيارات، والنقل الاستهلاكي. الالكترونيات، الخ.

التدوينة دور GaN في إزالة الكربون ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.