يوفر استخدام الجيل التالي من نيتريد الغاليوم أشباه الموصلات (GaN) في أنظمة تحويل الطاقة بدلاً من رقائق السيليكون التقليدية إمكانية هائلة للوصول إلى أهداف صافي الصفر. يتم دفع الصناعات من السيارات إلى الاتصالات للاستثمار في تحويل الطاقة بشكل أكثر كفاءة والمزيد من الكهرباء بسبب الضغط الاجتماعي المتزايد والقوانين المتزايدة لتقليل ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات.
الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة (IGBTs) ، وهي نوع شائع من أشباه الموصلات التقليدية القائمة على السيليكون ، مقيدة بشكل أساسي في تردد التشغيل وسرعتها ، وهي تعمل بشكل سيئ في درجات الحرارة العالية وتحت ظروف التيار المنخفض.
علاوة على ذلك ، فإن أداء التردد ودرجة الحرارة العالية للترانزستورات ذات التأثير الميداني للسيليكون عالي الجهد (FETs) مقيدة. وبالتالي ، أصبحت أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WBG) ذات العبوات الفعالة لمشبك نحاسي أكثر شيوعًا بين المصممين.
تستند هذه المقالة إلى ندوة عبر الإنترنت عقدت في 9 فبراير بواسطة Andrea Bricconi ، كبير المسؤولين التجاريين في Cambridge GaN Devices (CGD) ، “Powering up The Future with GaN.” أمضى أكثر من 25 عامًا في صناعة أشباه الموصلات ، حيث غطى أدوارًا مختلفة في التصنيع والبحث والتطوير والتسويق وتطوير الأعمال والمبيعات في كبرى الشركات المصنعة لأشباه الموصلات. طورت CGD شريحة تتضمن ناقل حركة على مستوى البوابة.
الفعال الخامستي تمت زيادته إلى 3 فولت لجعله متوافقًا مع برامج تشغيل البوابة المتاحة تجاريًا. يشتمل التكامل على مشبك ميلر للتشغيل بقدرة dV / dt عالية. يعمل مستشعر كلفن المدمج والتيار المصدر على تمكين مراقبة البوابة والتحكم فيها دون الحاجة إلى مقاومة مصدر إضافية ، مما يتيح ربط لوحة مصدر FET منخفضة الجانب مباشرة بالمستوى الأرضي لتحسين التبريد.
هدف صافي صفر
يتطلب النشاط البشري زيادة استخدام الطاقة. في عام 2019 ، قدر أن العالم استهلك 23000 تيراواط ساعة من الطاقة ، في عملية إطلاق 36.7 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون.2 في الغلاف الجوي. الهدف من صافي صفر CO2 لا يمكن تلبية الانبعاثات بحلول عام 2050 إلا من خلال استثمارات في إنتاج وتحويل طاقة أنظف. ويشمل ذلك تحسين الكفاءة في القطاعات الرئيسية للتنقل الإلكتروني وتوليد الطاقة المتجددة وتطبيقات الحوسبة كثيفة البيانات مثل الحوسبة السحابية و 5 G. تتطلب أهداف تغير المناخ إنتاجًا أكثر كفاءة لاستخدام الطاقة. كجزء من هذا الجهد ، استثمرت صناعة أشباه الموصلات أكثر من 10 مليارات دولار في تقنيات مجموعة البنك الدولي.
عند مقارنة التقنيات ، يُلاحظ أنه بالنسبة لتصنيف جهد معين ، تتمتع أجهزة طاقة GaN بمزايا كبيرة على أجهزة السيليكون التقليدية في الأرقام الرئيسية للجدارة (FOM). على سبيل المثال المقاومة المحددة على مستوى الدولة رDS (تشغيل) × منطقة (مΩ سم2) أقل من النصف ، مما يسمح بزيادة كثافة الطاقة. تبديل المقاييس مثل رDS (تشغيل) × سجي، شحنة البوابة ، هي ترتيب من حيث الحجم أفضل من السيليكون ، مما يجعلها أكثر كفاءة في الترددات العالية ، خاصة في الأحمال الخفيفة ، وتسمح بتبديل أسرع.
بالنسبة إلى GaN FETs ، فإن الشحنة على سعة الخرج QOSS هو المكون السائد لشحنة الاسترداد العكسي. رDS (تشغيل) × سOSS أقل من 4 × مع GaN ، مما يتيح التبديل الناعم بشكل أفضل وتقليل خسائر التحويل. إحدى الفوائد الرئيسية لجهاز الترانزستور عالي الحركة الإلكتروني GaN (HEMT) ، كونه أحادي القطب ، هو أن شحنة الاسترداد العكسي QRR هو 0 ، مما يتيح استخدامه في طبولوجيا أكثر كفاءة وأرخص لمراحل تصحيح عامل القدرة (PFC) ، مثل عمود الطوطم غير الجسور.
وفقًا لـ CGD ، مقارنةً بالسيليكون ، يمكن أن تكون إلكترونيات الطاقة القائمة على GaN أسرع 20 × / فقدان طاقة منخفض وتوفر ما يصل إلى 3 أضعاف كثافة طاقة أعلى وشحن أسرع. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون أصغر حجمًا وأخف وزنًا بمقدار 3 مرات ، مما يؤدي إلى انخفاض تكلفة النظام بنسبة 20٪. يمكن توفير الطاقة بنسبة تصل إلى 40٪ في تطبيقات إمداد الطاقة النموذجية. إذا كانت جميع مراكز البيانات ستتبنى إمدادات الطاقة القائمة على الجاليوم ، فمن المقدر توفير 12.4 تيراواط ساعة من الطاقة سنويًا ، أي ما يعادل 9 ملايين طن من ثاني أكسيد الكربون المخفض2 الانبعاثات و 1.6 مليار دولار من فواتير الكهرباء المنخفضة. هذا يعادل 1.7 مليون دولار من توفير الكهرباء في المنزل على مدار عام واحد.
أجهزة GaN
يعتبر GaN HEMT في جوهره جهازًا في وضع الاستنفاد ، وهو أمر غير مرغوب فيه في دوائر الطاقة. لجعل أجهزة GaN تتصرف كجهاز خارج العادة – أي أن الجهاز متوقف مع وجود جهد صفري مطبق على البوابة – يتوفر خياران. يتضمن أحد هذه الترتيبات ترتيب الكود الذي يتم فيه دمج جهاز من السيليكون منخفض الجهد مع GaN. طريقة أخرى تخلق جهاز وضع التعزيز (الوضع الإلكتروني) مع بوابة p-GaN.
وفقًا لـ Bricconi ، فإن بنية cascode ، مع تحقيق تحكم جيد في البوابة مع جهد عتبة أعلى من جهاز السيليكون ، لديها FOM أعلى في التبديل مقارنةً ببوابة p-GaN HEMT. من ناحية أخرى ، تحتوي بوابة p-GaN HEMT على عتبة تشغيل نموذجية Vتي 1.7 فولت وبجهد بوابة أقصى أقل بكثير يبلغ حوالي 7 فولت فقط ، مقارنة بـ 20 فولت مع كود الكود. جمعت CGD مزايا هذين النهجين مع هيكل ICeGAN الخاص بها. لديها V أعلىتي يتحقق من خلال تكامل دوائر GaN داخل GaN HEMT لتحقيق الحد الأدنى V.تي حتى قيمة اسمية 3.0-V. على غرار ترتيب الكود ، لا يحتاج محرك البوابة إلى إنشاء محرك سلبي ويمكنه استخدام 20 فولت كحد أقصى.RR. جهاز الوضع الإلكتروني p-gate GaN به صفر QRR، وهو تحسن كبير على كود الكود.
يضيف هيكل ICeGAN العديد من المزايا الأخرى ، مثل حماية البوابة ، وتحامل ميلر ، واستشعار تيار المصدر. ICeGaN عبارة عن شريحة GaN للوضع الإلكتروني الكل في واحد يمكنها العمل مع معظم برامج تشغيل البوابات التجارية وتتمتع بفوائد تتمثل في سهولة الاستخدام وتكلفة النظام المحسنة وقوة البوابة. يتضمن منطق GaN مضمنًا مدمجًا مع جهاز HEMT للطاقة. تمنع دائرة مشبك البوابة الداخلية بوابة HEMT من تجاوز حوالي 6 فولت. يتغير جهد المشبك هذا مع درجة حرارة الجهاز ، مما يزيد من موثوقية البوابة. يسمح مستشعر مصدر Kelvin المتكامل لوسادة مصدر FET منخفضة الجانب بالارتباط مباشرة بالمستوى الأرضي لتحسين التبديد الحراري. يضمن مشبك Miller المدمج دوران البوابة 0-V حتى في التحولات عالية dV / dt. وفقًا لـ CGD ، في حين أن الشركات الأخرى لديها نهج متكامل كليًا من GaN ، تعتقد CGD أن محرك البوابة يجب أن يكون خارج حزمة GaN بحيث لا يشترك في نفس القرب الحراري مثل جهاز الطاقة. يسمح الجهاز أيضًا بالتحكم في dV / dt (المعروف أيضًا باسم التحكم في معدل الدوران).
وفقًا لتحليل Bricconi الموضح خلال الندوة عبر الويب ، بمقارنة تكاليف BOM لدائرة نصف جسر للاستخدام في مرحلة PFC بقطب 350 واط ، يتطلب منافس GaN # 1 16 مكونًا خارجيًا ، بما في ذلك ستة مقاومات ، ومكثفتان ، وستة الثنائيات واثنين من الخرز. يمكن أن يقود محرك نصف الجسر القياسي من السيليكون دائرة GaN # 1. سيحتاج منافس GaN # 2 الآخر إلى ثمانية مكونات خارجية ، بما في ذلك ستة مقاومات ومكثفتين ، ولكنه يحتاج إلى برنامج تشغيل نصف جسر مخصص خاص بـ GaN.
وفقًا لـ Bricconi ، فإن ICeGaN من CGD ستستخدم فقط أربعة مكونات خارجية تشمل مقاومين ومكثفتين ، علاوة على ذلك يمكن تشغيلها بواسطة سائق نصف جسر من السيليكون جاهز للاستخدام. أبلغ العملاء الذين يستخدمون أجهزة CGD في مصادر الطاقة الخاصة بهم عن فوائد. على سبيل المثال ، قال العميل الرئيسي رقم 1 الذي يستخدم هذا لنظام 65 واط أنه يمكن استخدام الجهاز بجهد محرك عالي البوابة (مثل السيليكون). يخطط العميل الرئيسي رقم 2 لاستخدامها في شاحن PD التالي متعدد المنافذ ، وقد أبلغ عن كفاءة أعلى بنسبة 1 ٪ مقارنة بجهاز GaN من مصدر مختلف.
حاليًا ، تشتمل مجموعة منتجات CGD على أجهزة مصنفة 650 فولت في حزم DFN 8 × 8 أو DFN 5 × 6 SMD. كانت متوفرة في ثلاثة آرDS (تشغيل) فئات تتراوح من 55 متر مكعب إلى 200 متر مكعب. يمكن تشغيلها بواسطة محركات بوابة قياسية بجهد كهربائي يصل إلى 20 فولت ولا تتطلب جهدًا سلبيًا للإيقاف. تم تصنيف هذه الأجهزة تجاريًا ، ولكن الخطة هي إنشاء أجهزة مؤهلة للسيارات في المستقبل القريب أيضًا.
آخر الأخبار من CDG
وقعت CGD اتفاقية مع IFP Energies nouvelles (IFPEN) ، وهي مؤسسة فرنسية كبرى للبحث والتدريب في مجالات الطاقة والنقل والبيئة ، لتطوير عاكس مبتكر للسيارات باستخدام أجهزة GaN المتقدمة. تعد هذه الشراكة عنصرًا أساسيًا للأنشطة في مجال إلكترونيات الطاقة للتنقل الإلكتروني ، وتحديداً للجيل التالي من المحولات التي تتطلب خطوة تقنية لتقليل الحجم وزيادة مستويات كثافة الطاقة مع تحدي التكلفة.
علاوة على ذلك ، وقعت CGD و Neways Electronics ، المبتكر العالمي في مجال الإلكترونيات للتنقل الذكي وحلول أشباه الموصلات والاتصال ، اتفاقية خلال Electronica 2022 بهدف تطوير منتجات عاكس للطاقة الشمسية الكهروضوئية عالية الكفاءة تعتمد على تقنية GaN.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
