في منتدى تكنولوجيا السيارات المتقدمة 2023 الذي عقد في مارس ، كان التركيز على الفرص والتحديات التي يتم مواجهتها في استخدام إلكترونيات الطاقة واسعة النطاق (WBG) لتلبية النمو الهائل المتوقع في سوق السيارات الكهربائية. في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على العرض التقديمي “شحن وتحويل فعال من 400 إلى 800 فولت مع GaNFast Power ICs و GeneSiC Trench-Assisted Planar Gate MOSFETs” ، الذي قدمه دان كينزر ، مدير العمليات / كبير المسؤولين التنفيذيين في Navitas Semiconductor.
Navitas هي شركة تصنيع أجهزة أشباه موصلات الطاقة WBG. لقد كانت رائدة في إنتاج أجهزة طاقة نيتريد الغاليوم التي لاقت قبولًا واسعًا في أجهزة الشحن السريعة. في العام الماضي ، استحوذت الشركة على شركة GeneSiC Semiconductor ، الشركة المصنعة لأجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون. وبالتالي ، فإن Navitas في وضع فريد لتقديم مجموعة كاملة من حلول تحويل الطاقة ، من مصادر طاقة الشاحن ومركز البيانات ، ومحركات الطاقة الكهربائية والشحن السريع إلى تطبيقات تحويل الطاقة الشمسية / الشبكة.
من المتوقع أن يرتفع إنتاج السيارات الكهربائية من حوالي 2 مليون دولار سنويًا في عام 2020 إلى 70 مليون دولار سنويًا بحلول عام 2040. ومن المتوقع أن يؤدي هذا إلى دفع حصة مجموعة البنك الدولي في قطاع أشباه موصلات الطاقة الإجمالي ، من النطاق الحالي <10٪ إلى أكثر من 30٪ بحلول عام 2028. بالقيمة المطلقة ، من المتوقع أن يرتفع إجمالي سوق أشباه الموصلات من 20 مليار دولار أمريكي في عام 2022 إلى 50 مليار دولار أمريكي ، حيث تمثل أشباه الموصلات WBG حوالي 80٪ من هذه الحصة ، في عام 2050.1 يوضح الشكل 1 التجزئة بين GaN و SiC بناءً على تصنيف جهد الجهاز ومتطلبات تحويل الطاقة للتطبيق. من المتوقع أن تهيمن أجهزة GaN على التطبيقات في نطاق 80- إلى 650-V ، في حين أن SiC ستلبي 1200-V ومساحة الجهد العالي.
دعنا الآن نلقي نظرة أكثر تفصيلاً على عروض منتجات GaN و SiC من Navitas.
الجاليوم المرحلية
تتميز Navitas بميزات محرك وتحكم وحماية متكاملة في الوضع الإلكتروني لجهاز GaN HEMT. هذا النهج ، مع تقليل الطفيليات ومكونات خارجية أقل ، يسمح باستخدام GaN بإمكانياته الكاملة عالية السرعة مع التحكم الفائق في التبديل. يصور الشكل 2 الأشكال الموجية المحسّنة للدائرة المتكاملة نصف الجسر GaNSense المتكاملة ، والتي تتضمن محركات البوابة ؛ حماية مدمجة للجهد الزائد ودرجة الحرارة الزائدة والتيار الزائد ؛ الاستشعار الحالي وحماية من التفريغ الكهروستاتيكي 2 كيلو فولت على المسامير. تخطط الشركة للمضي قدمًا في هذا المفهوم من خلال دمج وحدة تحكم السيليكون ذات الجهد المنخفض مع قالب GaNSense. منتج التحكم GaNSense ، الموضح في الشكل 3 ، مخطط مبدئيًا لسوق محول الطاقة ولكن سيتم توسيعه ليشمل تطبيقات السيارات.
يختبر إنتاج Navitas منتجات GaN المصنفة 700-V حتى 900 فولت. هذه لها تصنيف عابر 800-V وتخضع لاختبارات صارمة للمكونات وموثوقية على مستوى النظام. أظهر معدل فشل الشركة في الوقت المناسب (FIT) الذي يزيد عن 5.8 مليار ساعة اختبار مكافئة للجهاز تحسنًا ثابتًا مع معدل 50 درجة مئوية FIT الحالي البالغ 0.16 ، وهو ما يعادل أو أفضل من ذلك الذي تم تحقيقه باستخدام أجهزة طاقة السيليكون. تقدم Navitas ضمانًا لمدة 20 عامًا على منتجات GaN.
SiC MOSFETs
تمتلك GeneSiC حافظة واسعة من SiC MOSFETs ، مع تصنيفات جهد من 650 فولت إلى 6.5 كيلو فولت. عادة ما تكون SiC MOSFETs مستوية ، حيث يوجد أكسيد البوابة على سطح SiC المسطح ، أو قائم على الخندق. ينتج الجهاز المستوي عمومًا أكسيد بوابة أكثر قابلية للتكرار ويحتمل أن يكون متينًا. يتميز جهاز الخندق المزود بأكسيد البوابة العمودية بمزايا تحسين مقاومة الجهاز المحدد (RDS (تشغيل)) وبالتالي يموت أصغر وخسائر تحويل أقل عند كثافة قدرة معينة.
ومع ذلك ، يمكن أن تكون أجهزة الخندق أكثر عرضة لفشل أكسيد البوابة وتستخدم تدفق عملية أكثر تعقيدًا يمكن أن يؤدي إلى تباين أكبر في معلمات الجهاز. لقد حصل GeneSiC على براءة اختراع لجهاز بوابة مستو يساعد في الخندق يحاول الجمع بين أفضل ميزات هذين النهجين. كما هو مبين في الشكل 4 ، فإن الخندق الذي ينشئ منطقة غاطس p-doped ينقل منطقة المجال الكهربائي الأقصى بعيدًا عن حافة البوابة ، مما يسمح بتحسين منطقة القناة بشكل مستقل. نتيجة لذلك ، تؤدي خطوة الخلية المنخفضة إلى تحسين طول القناة لبعض معلمات الجهاز الرئيسية ، مثل معدل زيادة RDS (تشغيل) مع درجة الحرارة والوقت الصامد للدارة القصيرة.
معامل درجة حرارة موجب منخفض لـ RDS (تشغيل) يسمح بخسائر أقل في التوصيل ، مما يؤدي إلى درجات حرارة أكثر برودة للقالب. يوضح الشكل 5 هذا لتطبيق محول DC / DC 7.5 كيلو واط حيث يتم استخدام نصف جسر SiC 1200 فولت ، والتبديل عند 150 كيلو هرتز. يتم تحقيق درجة حرارة أقل بمقدار 25 درجة مئوية ، مما قد يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة.
تجد عروض SiC البالغة 1700 فولت والجهد العالي من GeneSiC اعتمادًا في تطبيقات مثل أجهزة الشحن السريعة على جانب الطريق. مثال على ذلك هو شاحن SK Signet 350-kW.
بفضل الخبرة في كل من GaN و SiC ، يمكن لـ Navitas تلبية احتياجات شاحن EV على متن الطائرة (OBC) وعاكس الجر عند مستوى 400-V الحالي أو مستوى ناقل 800-V المستقبلي. يظهر مثال لنظام 470- إلى 860-V يعتمد على GaN أو SiC في الشكل 6. هنا ، يتميز OBC بقدرة 6.6 كيلو وات على واجهة PFC الأمامية ، متبوعة بمحول CLLC DC / DC الذي يمكن أن يوفر مسارًا ثنائي الاتجاه لشحن البطارية أو نقل الطاقة من السيارة إلى الشبكة ، بالإضافة إلى محول DC / DC لتزويد سكة الجهد المنخفض في EV. يتم تحقيق كفاءات أعلى من 95٪ عبر نطاق واسع من جهد البطارية ، مع مزايا كبيرة في كثافة الطاقة مقارنة بالأنظمة المنافسة.
مرجع
1تقرير فرص السوق من Yole Developpement ، 2020 ، وتحليل Navitas Semiconductor
