العاكس الشمسي القائم على SiC لصناعة الطاقة المتجددة

أعلنت Navitas Semiconductor و KATEK Group أن سلسلة KATEK’s coolcept fleX من محولات الطاقة الشمسية Steca قد احتضنت أشباه موصلات الطاقة الجديدة GeneSiC لتعزيز الكفاءة والحجم والوزن والتكلفة ، فضلاً عن التوسع الكبير في السوق. من خلال الاستحواذ على GeneSiC ، سجلت Navitas توسعًا إضافيًا في مجال التطبيقات عالية الطاقة لتقنية فجوة النطاق العريض (WBG) ، بما في ذلك المركبات الكهربائية والخلايا الكهروضوئية الشمسية ومراكز البيانات.

وفقًا للمحللين ، من المتوقع أن تتجاوز السعة المركبة للطاقة الشمسية قدرة الغاز الطبيعي في عام 2026 والفحم في عام 2027 ، لتصبح الأكبر في العالم ، بزيادة ثلاثة أضعاف من عام 2022 إلى عام 2027. التكلفة العالمية للكهرباء الشمسية تبلغ 40٪ أقل من الفحم والغاز الطبيعي.

في مقابلة مع Power Electronics News ، أشار ستيفن أوليفر ، نائب رئيس التسويق المؤسسي وعلاقات المستثمرين في Navitas ، إلى أن الاستحواذ على GeneSiC يمثل قيمة مضافة للهندسة. من خلال الجمع بين القيمة التقنية والسوقية ، تمكنت Navitas من تضخيم دور حلول GeneSiC.

كربيد السيليكون

يحتوي كربيد السيليكون على طاقة فجوة نطاق أعلى من السيليكون كأشباه موصلات WBG (3.2 eV ، حوالي 3 × أعلى من طاقة السيليكون 1.1 eV). يمكن تحقيق جهد انهيار أعلى وكفاءة أعلى واستقرار حراري أفضل في درجات الحرارة المرتفعة لأنه يتطلب المزيد من الطاقة لإثارة إلكترون التكافؤ في النطاق الموصل لأشباه الموصلات. A SiC MOSFET منخفض الصرف على المقاومة (R_{DS (تشغيل)}) ، والتي تقل بمقدار 300 × إلى 400 × أقل من أجهزة السيليكون عند نفس جهد الانهيار ، هي الميزة الرئيسية.

من أجل تقليل فقد الطاقة ، وزيادة الكفاءة وتقليل أثر المكونات ، يمكن لأجهزة الطاقة القائمة على SiC توفير مستويات طاقة أكبر. تعتبر الموصلية الحرارية العالية وسرعات التحويل العالية بشكل استثنائي من ميزات الإلكترونيات القائمة على SiC. تعتبر أجهزة SiC مفيدة في تبديل التصميمات ، بما في ذلك مصادر الطاقة والمحولات ثلاثية الطور ومكبرات الصوت ومحولات الجهد ، نظرًا لانخفاض سعة خرجها وانخفاض مستوى R_{DS (تشغيل)} (AC / DC و DC / DC). كما تم تحقيق وفورات كبيرة في التكاليف وتقليل حجم المكونات المغناطيسية (المحولات والمحاثات) المستخدمة في العديد من تطبيقات التحويل من خلال استخدام أجهزة SiC.

السمة الحاسمة هي الموصلية الحرارية ، والتي توضح مدى سهولة استخلاص الحرارة الناتجة عن فقد الطاقة في جهاز أشباه الموصلات ، مما يحافظ على درجة حرارة تشغيل الجهاز من الارتفاع بشكل خطير. من الصعب الحفاظ على درجة حرارة العمل منخفضة للأجهزة القائمة على أشباه الموصلات المصنوعة من مواد مثل السيليكون ، والتي لها موصلية حرارية منخفضة. تم تطوير Derating ، وهو وضع تشغيل محدد يقدم انخفاضًا جزئيًا في الأداء حتى لا يضر المكون عند درجات حرارة عالية ، خصيصًا لهذا الغرض.

من ناحية أخرى ، تعني الموصلية الحرارية العالية أنه يمكن تبريد الجهاز بشكل مناسب دون التسبب في أي تدهور في الأداء. SiC قادر على العمل عند درجة حرارة لا تقل عن 200 درجة مئوية ، وهي أعلى بمقدار 50 درجة مئوية من درجة حرارة الوصلة النموذجية لأجهزة MOS السيليكونية. بالنسبة للعديد من أجهزة SiC ، يمكن أن تصل درجة الحرارة هذه إلى 400 درجة مئوية أو أعلى. تسمح هذه الخاصية لأجهزة الطاقة المصنوعة من SiC بالعمل بكفاءة حتى في درجات الحرارة العالية ، وتجنب خفض الأداء وتقليل متوسط ​​الوقت اللازم للفشل ، مع تحسين الجودة والموثوقية.

وفقًا لأوليفر ، فإن تقنية SiC MOSFET “للبوابة المستوية بمساعدة الخندق” التي طورتها GeneSiC هي قيمة مضافة مع إمكانات درجات الحرارة العالية والسرعة العالية ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة التشغيل وعمر أطول.

قال “نحن نبذل الكثير من الجهد في الإدارة الحرارية”. “نحن نعمل بكفاءة دون ارتفاع درجة حرارة المعدات. عند التبديل بسرعة ، تظل درجة الحرارة منخفضة. نعمل باستمرار على زيادة التردد لتقليل حجم ووزن وتكلفة المغناطيسات والمكثفات ومحركات المحركات “.
وفقًا لـ Navitas ، توفر GeneSiC MOSFETs قدرة عالية على الانهيار الجليدي تم الإبلاغ عنها ومُختبرة بنسبة 100٪ ، وزمن تحمل ماس كهربائى أطول بنسبة 30٪ ، وعتبة جهد ثابتة للتوازي البسيط. يتم استخدام ستة عشر GeneSiC G3R75MT12J SiC MOSFETs في كل عاكس Steca coolcept fleX بقدرة 4.6 كيلو وات. يتم استخدام هذه الأجهزة ، مع تصنيفات 1200 فولت و 75 متر مكعب ، في محول من مستويين مع محولات تعزيز ثنائية الاتجاه وطوبولوجيا H4 لإخراج جهد التيار المتردد.

منتجات GeneSiC ، باستثناء عبوات DO-214 (SMD) ، مصنوعة من تلبيد الفضة (Ag) ، وهي تقنية ربط وتثبيت بالقالب توفر رابطة قوية وخالية من الفراغ مع التوصيل الحراري والكهربائي الفائق. يمكن أن يؤدي تلبيد Ag إلى تقليل درجة حرارة الوصلة لجهاز إلكتروني حتى 100 درجة مئوية.

تم بناء دوائر SiC MOSFET من GeneSiC بأقصى حقول لأكسيد البوابة أقل بكثير من 4 MV / cm ، والتي تعالج مشكلة موثوقية أكسيد البوابة. جودة واجهة أكسيد البوابة – كربيد السيليكون هي العامل الثاني من حيث موثوقية الأكسيد. يتم ضمان كثافة عيب منخفضة جدًا من خلال إجراء أكسدة البوابة المستخدم لإنتاج SiC MOSFET الخاص بشركة GeneSiC ، سواء داخل أكسيد البوابة وعند ملامسة أكسيد البوابة – SiC.

يعتبر استقرار الصمام الثنائي الداخلي للجسم من ترانزستورات SiC MOSFET أحد الاعتبارات المهمة الأخرى. يقوم الصمام الثنائي للجسم MOSFET في دوائر تحويل الطاقة التقليدية لجسر H بتوصيل التيار المقنن أثناء عملية التدوير الحر. نظرًا لتشغيل الصمام الثنائي للجسم ، شهدت SiC MOSFETs من العديد من بائعي الأجهزة العليا تدهورًا كبيرًا في خصائص الجهاز.

تكنولوجيا الطاقة الشمسية

كما أشار أوليفر ، في مجال الطاقة الشمسية ، علينا تقسيم السوق إلى قسمين. هناك القطاع السكني ، حيث يوجد اتجاه نحو المحولات الدقيقة ، والقطاع التجاري ، حيث يلزم وجود محولات “ سلسلة ” عالية الجهد. انتقلت الألواح من 150 واط إلى حوالي 350 واط مع زيادة كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة تصل إلى 40٪ تقريبًا وفقًا للمختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة.

أوضح أوليفر: “بالنسبة للمحول الصغير ، قمنا ببعض الأعمال بالتعاون مع Enphase Energy”. “لقد فكروا في التحول من السيليكون إلى SiC ، ولكن بالنسبة لمستوى الطاقة والجهد ، كان GaN هو التكنولوجيا المثلى. يمكن أن تعمل بشكل أسرع بمقدار 10 مرات مع انخفاض “كبير” في تكاليف النظام ، لذلك اختاروا GaN. نقدر خفض التكلفة بنسبة 25٪ تقريبًا عن طريق التبديل من السيليكون إلى الجاليوم “.

“في الطاقة الشمسية التجارية ، تكدس سلسلة أو” سلسلة “من الألواح جهد خرج التيار المستمر لكل لوحة ، لذا فإن الجهد العالي – 1200 فولت – SiC هو الخيار الأفضل” ، تابع. “إنه الحل الأبسط والأكثر كفاءة والأرخص. لذلك ، عندما تذهب إلى الجهد العالي ، فإنك تنتقل من السيليكون القديم IGBTs إلى SiC MOSFETs لأنه يمكنك زيادة التردد وتقليل الحجم. إنه مثل شواحن الهاتف: يزيد التردد ، لكن الصندوق يصبح أصغر. وأهم شيء بالنسبة للطاقة الشمسية هو أن الصندوق يصبح أخف وزنًا أيضًا ، والوزن أثناء التثبيت عامل مهم جدًا “.

وأشار أوليفر إلى أنه عندما يصبح النظام أصغر حجمًا وأخف وزنًا ، يصبح أرخص في المقابل. يجري الانتقال من IGBT إلى SiC. سيستغرق الأمر بعض الوقت ، ولكن وفقًا لأوليفر ، سواء كانت تكنولوجيا سيارات أو طاقة شمسية ، فإن تقنية WBG ستلعب دورًا مهمًا.

قال: “كلما زاد الجهد ، كان من الأسهل من حيث التقنية والطوبولوجيا تحقيق طاقة عالية”. “الأمر نفسه ينطبق على توربينات الرياح ، ومحركات الجر بالسكك الحديدية. يعمل كربيد السيليكون GeneSiC حتى 6500 فولت – لذلك تتم معالجة التطبيقات عالية الطاقة بسهولة أكبر. “

شيء آخر يجب أخذه في الاعتبار هو الاستدامة والكهرباء في عالمنا والتخلي عن محركات الغاز. قال أوليفر: “بشكل عام ، نميل إلى السير ببطء بعض الشيء ، لكن التكنولوجيا ذات فجوة الحزمة العريضة تهدف إلى جعلها فعالة”. “من المركبات الكهربائية إلى المضخات الحرارية ، هذه كلها احتمالات لكربيد السيليكون.”

“لقد أجرينا بعض الحسابات ونقدر أنه بحلول عام 2050 ، وهو هدف اتفاقية باريس ، سيؤدي التحول من السيليكون إلى الجاليوم وكربيد السيليكون إلى تقليل ثاني أكسيد الكربون₂ الانبعاثات بمقدار ستة جيجا طن سنويًا ، وهو ما يمثل حوالي 30٪ من هدف التخفيض الذي نحتاج إلى تحقيقه “. “وبالتالي فإن رسالة الاستدامة من GaN وكربيد السيليكون قوية جدًا.”

سيكون من المهم للغاية دعم متطلبات السوق بمختلف المعدات ، والتعديل التحديثي والتجديد حيثما أمكن ، حتى في المصانع التي تعمل بالفعل مع السيليكون.

تعمل حلول الطاقة في مجموعة البنك الدولي على زيادة كفاءة الكهرباء والاعتمادية والقدرة على تحمل التكاليف ، مما يسرع الانتقال بعيدًا عن محطات الطاقة التي تعمل بالفحم إلى مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وتقدم استخدام الطاقة النظيفة القائمة على الكهرباء في النقل والمباني والمصانع الصناعية. وفقًا للسلطات الرئيسية المعنية بحيادية الكربون وتمويل المناخ ، Natural Capital Partners ، حصلت Navitas على شهادة CarbonNeutral في مايو 2022 ، مما يجعلها أول شركة لأشباه الموصلات في العالم تقوم بذلك.

Maurizio Di Paolo Emilio حاصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء ومهندس اتصالات. عمل في العديد من المشاريع الدولية في مجال أبحاث موجات الجاذبية ، وتصميم نظام التعويض الحراري (TCS) وأنظمة الحصول على البيانات والتحكم فيها ، وفي مشاريع أخرى حول الحزم الميكروية للأشعة السينية بالتعاون مع جامعة كولومبيا ، وأنظمة الجهد العالي وتقنيات الفضاء. للاتصالات والتحكم في المحركات مع ESA / INFN. تم تطبيق TCS على تجربتي Virgo و LIGO ، التي اكتشفت موجات الجاذبية لأول مرة وحصلت على جائزة نوبل في عام 2017. منذ عام 2007 ، كان مراجعًا للمنشورات العلمية للأكاديميين مثل مجلة Microelectronics Journal ومجلات IEEE. علاوة على ذلك ، فقد تعاون مع شركات صناعة إلكترونية مختلفة والعديد من المدونات والمجلات الإيطالية والإنجليزية ، مثل Electronics World و Elektor و Mouser و Automazione Industriale و Electronic Design و All About Circuits و Fare Elettronica و Elettronica Oggi و PCB Magazine ، كاتب / محرر تقني متخصص في عدة مواضيع في الإلكترونيات والتكنولوجيا. من عام 2015 إلى عام 2018 ، كان رئيس تحرير Firmware و Elettronica Open Source ، وهما مدونات ومجلات تقنية لصناعة الإلكترونيات. شارك في العديد من المؤتمرات كمتحدث في الكلمات الأساسية لموضوعات مختلفة مثل الأشعة السينية وتقنيات الفضاء وإمدادات الطاقة. يستمتع موريزيو بكتابة وإخبار القصص حول إلكترونيات الطاقة وأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة والسيارات وإنترنت الأشياء والمدمجة والطاقة والحوسبة الكمومية. ماوريتسيو هو محرر محتوى في AspenCore منذ عام 2019. وهو حاليًا رئيس تحرير Power Electronics News و EEWeb ومراسلًا لـ EE Times. وهو مضيف برنامج PowerUP ، وهو بودكاست حول إلكترونيات الطاقة ، ومروج ومنظم مؤتمر PowerUP الافتراضي ، وهو قمة يتحدث فيها المتحدثون الرائعون كل عام عن اتجاهات تصميم إلكترونيات الطاقة. علاوة على ذلك ، فقد ساهم في عدد من المقالات التقنية والعلمية بالإضافة إلى عدد من كتب Springer حول حصاد الطاقة وأنظمة الحصول على البيانات والتحكم فيها.