بعد الاستخدام الواسع النطاق لأجهزة الطاقة القائمة على السيليكون ، أصبح من الواضح أن قدراتها قد وصلت إلى الحد الأقصى بسبب القيود في خصائص المواد الخاصة بها. ثبت أن الجهود المبذولة لتحسين الأداء صعبة. من أجل تحقيق كفاءة أعلى في تحويل الطاقة ، بدأ الباحثون في استكشاف استخدام أشباه الموصلات من نيتريد الغاليوم (GaN). لقد وجدوا أن GaN لديه فجوة نطاق واسعة ، ومقاومة عالية للانهيار الكهربائي ، ومقاومة عالية للإشعاع وسرعة تشبع إلكترونية عالية ، مما يجعله بديلاً واعدًا لأجهزة الطاقة القائمة على السيليكون. توضح هذه المقالة مثالاً على استخدام أجهزة طاقة GaN في تطبيق محرك محرك.
عادةً ما يحتوي جهاز طاقة نيتريد الغاليوم على مكونين: جهاز مستوٍ (أ) تم إنشاؤه على ركيزة من السيليكون أو كربيد السيليكون ، وجهاز عمودي (ب) مصنوع من طبقة نشطة من الجاليوم على ركيزة ذاتية الدعم. يتمتع الهيكل الرأسي للجهاز بالعديد من الفوائد عند مقارنته بأجهزة التوصيل المستوية.
- جهد انهيار أعلى: يمكن لجهاز التوصيل العمودي التعامل مع تيار كبير ببصمة جهاز معينة. يتم توزيع المجال الكهربائي بالتساوي على طول الاتجاه العمودي ، مما ينتج عنه جهاز موصل أكثر وارتفاع جهد الانهيار.
- القضاء على تأثير الانهيار الحالي: تساعد منطقة المجال الكهربائي العالي داخل الجهاز الرأسي على إضعاف تأثير حالة السطح وإبطاء تأثير الانهيار الحالي ، وهو عندما ينخفض تيار التصريف بشكل كبير عند تطبيق جهد بوابة سالب كبير. يمكن أيضًا تخميل السطح باستخدام فيلم Si3N4 للقضاء على هذا التأثير بشكل أكبر.
- زيادة كثافة الطاقة: يسهل المجال الكهربائي الموزع بالتساوي في الجهاز الرأسي زيادة كثافة الطاقة ، حيث لا توجد مجالات كهربائية سبايك.
من المهم ملاحظة أن غالبية أجهزة طاقة GaN المتوفرة حاليًا تعتمد على بنية مستوية. هذا بسبب صعوبة تحضير المواد وتكلفة تصنيع جهاز GaN العمودي مرتفعة. لقد كان السيليكون ركيزة شائعة للإنتاج على نطاق واسع بسبب حجم الرقاقة الكبير ، والتكلفة المنخفضة ، والتكنولوجيا الراسخة. ينقسم سوق أجهزة الطاقة الحالية من GaN إلى عدة فئات مثل الثنائيات GaN وترانزستورات GaN عالية الحركة الإلكترونية وهياكل Cascode GaN HEMT و GaN MOSFETs.
أجهزة طاقة الجاليوم في محرك المحرك
في ورقة البحث [3]، فقد وجد أن جهاز GaN HEMT عادةً مع MOSFET منخفض الفولتية المستندة إلى Si في تكوين كود الكود ينتج عنه خسائر أقل في التحويل والتوصيل عند مقارنته بعاكس IGBT القائم على Si. أظهرت الدراسة أن فقدان التبديل والتوصيل في جهاز 6-in-1 GaN HEMT يعمل عند 100 كيلو هرتز أقل بكثير من الخسارة في IGBT القائم على Si والذي يعمل عند 15 كيلو هرتز. هذا يؤدي إلى موجة جيبية ناتجة أصغر وخسارة أقل في مرشح الموجة الجيبية مقارنة بالخسائر الإضافية في المحرك بدون المرشح.
قام الطلاب في جامعة ويسكونسن ماديسون بالتحقيق في استخدام GaN power FETs في نظام محرك معياري متكامل (IMMD) مع محرك حثي [4]. اقترحوا تصميمًا يستخدم أداء التحويل الاستثنائي لـ GaN power FETs لتقليل حجم IMMD والقضاء على الحاجة إلى المشتت الحراري للعاكس ، وتحسين مكثف DC-link. كانوا قادرين على تصميم نموذج IMMD كامل الوظائف للتوصيل والتشغيل تم دمجه في محرك تحريضي 190 فولت ، 5 أمبير.
في مجال الروبوتات والتطبيقات الصناعية ، يعد حجم المعدات وكفاءتها في استخدام الطاقة أمرًا بالغ الأهمية للابتكار. تمتلك أجهزة الطاقة القائمة على GaN القدرة على تقليص حجم ووزن محركات المحركات. تسمح تقنية GaN بترددات تعديل عرض النبضة العالية وخسائر تحويل منخفضة ، مما يجعلها مثالية لقيادة محركات مغناطيسية دائمة ذات محاثة منخفضة ومحركات DC بدون فرش. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يقلل من تموج عزم الدوران من أجل تحديد المواقع بدقة في محركات المؤازرة والمحركات السائر ، والتي تمكن المحركات عالية السرعة من تحقيق الفولتية العالية.
في الماضي ، تعاونت الشركات المصنعة الرائدة لأجهزة GaN في دمج أجهزة الطاقة القائمة على GaN في تقنية القيادة. على سبيل المثال ، تعاونت GaN Systems و Siemens في خط إنتاج Simatic Micro-Drive ، الذي يضم أشباه موصلات طاقة أنظمة GaN لتحقيق كثافة طاقة عالية وكفاءة ومتانة. صرح أندرياس غروغر ، من قسم التكنولوجيا في سيمنز ، أن التحدي أحدث طفرة في تكنولوجيا محرك المحرك لأشباه الموصلات الجديدة.
خاتمة
لقد كان استخدام مادة أشباه الموصلات GaN شائعًا بشكل متزايد في تطبيقات إلكترونيات الطاقة نظرًا لخصائصها الفائقة للمواد مقارنة بالسيليكون ، مثل جهد الانهيار العالي ، ومقاومة درجات الحرارة المرتفعة ، وفقد التوصيل المنخفض ، والطاقة الإنتاجية العالية. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض التحديات مع GaN ، مثل المشكلات المتعلقة بعيوب المواد وأداء الجهاز والموثوقية ومعدل المنتجات النهائية المنتجة.
مراجع
[1] ميزوتاني تي ، أونو واي ، أكيتا إم ، وآخرون. “دراسة حول الانهيار الحالي في AlGaN / GaN HEMTs الناجم عن الإجهاد التحيزي”. أجهزة الإلكترون ، المجلد. 50 ، لا. 10 ، ص 2015-2020 ، 2003.
[2] X. Ding ، Y. Zhou and J. Cheng ، “مراجعة لجهاز طاقة نيتريد الغاليوم وتطبيقاته في محرك المحرك ،” في CES Transactions on Electrical Machines and Systems ، المجلد. 3 ، لا. 1 ، ص.54-64 ، مارس 2019 ، دوى: 10.30941 / CESTEMS.2019.00008.
[3] “مقارنة الكفاءة بين محرك الأقراص المستند إلى Si-IGBT ومحرك الأقراص المستند إلى GaN”. IEEE Transactions on Industry Applications، vol. 50 ، لا. 1 ، ص 566-572 ، 2014.
[4] J. Wang، Y. Li and Y. Han، “Integrated Modular Motor Drive Design with GaN Power FETs،” in IEEE Transactions on Industry Applications، vol. 51 ، لا. 4 ، ص 3198-3207 ، يوليو-أغسطس. 2015 ، دوى: 10.1109 / TIA.2015.2413380.
[5] أنظمة GaN. “سيمنز تحقق أداءً رائدًا في الصناعة باستخدام ترانزستورات الطاقة من أنظمة GaN.” أوتاوا ، أونتاريو. https://gansystems.com/newsroom/siemens-achieves-industry-leading-performance-with-gan-systems-power-transistors/ (تم الوصول إليه في 28 يناير / كانون الثاني 2023)
