استخدام SiC و GaN في تطبيقات الطاقة ثنائية الاتجاه

في تطبيقات الطاقة مثل السيارات الكهربائية ، وتوليد الطاقة المتجددة ، والاتصال من مركبة إلى مركبة ، وتخزين الطاقة ، تكون المفاتيح ثنائية الاتجاه مفيدة بشكل خاص. تتيح هذه المفاتيح التحكم الفعال في تدفق الطاقة في كلا الاتجاهين ، مما يضمن التشغيل الموثوق والآمن في ظروف التشغيل المختلفة. تحقق المفاتيح ثنائية الاتجاه أحادية الاتجاه القائمة على هذه التقنيات كفاءة عالية في تحويل الطاقة ويتم التعرف عليها بشكل متزايد كمعيار صناعي لتطبيقات إلكترونيات الطاقة.

هذه المقالة ، بناءً على العرض التقديمي “ثنائي الاتجاه تكنولوجيا SiC و GaN“الذي عقده فيكتور فيلياديس في PowerUp Expo 2023¹، سوف يستكشف التحديات والحلول التقنية التي تسمح لكربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) بتنفيذ تطبيقات الطاقة ثنائية الاتجاه.

تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه

في سوق أجهزة الطاقة ، التي تهيمن عليها حاليًا أجهزة السيليكون ، تعمل GaN و SiC على زيادة حصتها في السوق تدريجياً. يقول الدكتور فيكتور فيلياديس ، المدير التنفيذي ورئيس قسم التكنولوجيا في Power America: “تنمو كل من أسواق أجهزة الطاقة GaN و SiC بسرعة كبيرة ، مع توقع وصول مزيج SiC و GaN إلى حوالي 50٪ من إجمالي سوق أجهزة الطاقة بحلول عام 2029 ، بينما يمتلك السيليكون نسبة الخمسين بالمائة المتبقية “.

فيما يلي ، سنرى كيف يمكن استخدام أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة بنجاح في تطبيقات الطاقة ثنائية الاتجاه. يتيح التدفق ثنائي الاتجاه العديد من التطبيقات ، بما في ذلك:

• المركبات الكهربائية (شبكة إلى مركبة G2V ، مركبة إلى شبكة V2G ، مركبة إلى منزل V2H ، ومركبة إلى مركبة V2V)
• أنظمة الطاقة الموزعة والمربوطة بالشبكة باستخدام الطاقة المتجددة و / أو مكونات تخزين الطاقة
• خدمات شبكة مركز البيانات (تنظيم التردد ، إدارة الطلب ، تحويل الذروة) مع UPS ثنائي الاتجاه
• حماية قواطع دوائر الحالة الصلبة
• محولات DC-DC ثنائية الاتجاه
• شحن وتفريغ أنظمة تخزين الطاقة
• طاقة متجددة (فرامل ، مصاعد ، سيور ناقلة).

التكوينات الجانبية والعمودية

عادةً ما يكون للأجهزة عالية الطاقة التي تزيد عن 900 فولت تكوين عمودي. مفاتيح GaN المتوفرة اليوم في السوق هي جميع الأجهزة الجانبية والفصل بين أقطاب التصريف والبوابة يحدد جهد الانهيار. كما هو مبين في الشكل 1-أ ، كلما زاد الفاصل ، زاد الجهد الذي يمكن للجهاز حظره.

“هذا أيضًا يحد من المسافة التي يمكنك الذهاب إليها في الجهد العالي باستخدام الجهاز الجانبي لـ GaN. في مرحلة ما ، تصبح بوابة فصل التصريف لاستيعاب الفولتية العالية جدًا كبيرة جدًا ، ويبدأ الجهاز في شغل مساحة كبيرة جدًا على الرقاقة ، مما يقلل العائد “، قال فيلياديس.

أجهزة طاقة SiC ، سواء كانت متوفرة كمنتجات أو معروضة ، لها تكوين رأسي. إنها طبقة الانجراف العمودية وسمكها الذي يحدد جهد انهيار الجهاز. جهاز 600 فولت لديه طبقة انجراف يبلغ سمكها حوالي 4 ميكرومتر ؛ أثناء زيادة السماكة إلى 100 ميكرومتر ، يمكنك الحصول على جهاز تصنيف 12 كيلو فولت (الشكل 1-ب). هذه ميزة كبيرة عند إنشاء أجهزة عالية الجهد لأنه لا يتم زيادة مساحة الجهاز المقابلة.

بشكل افتراضي ، يتم تشغيل أجهزة طاقة GaN بشكل طبيعي. ومع ذلك ، فبالنسبة لبعض التطبيقات ، تُفضل الأجهزة التي يتم إيقاف تشغيلها عادةً في ظروف التشغيل الآمن. كما هو مبين في الشكل 2 ، فإن الطريقة الشائعة للحصول على جهاز GaN عادة ما تكون متوقفة عن إدخال طبقة P-doped GaN تحت البوابة. من المهم جدًا أن تصنيع أجهزة GaN الجانبية متوافق مع تصنيع حجم السيليكون.

كيفية عمل مفاتيح GaN ثنائية الاتجاه

“فيما يتعلق بالتدفق الحالي ، فإن الأجهزة الجانبية GaN هي بطبيعتها ثنائية الاتجاه. سواء كان التيار ينتقل من المصدر إلى التصريف أو التصريف إلى المصدر ، فهو نفس الشيء لأنه لا يوجد صمام ثنائي للجسم. ومع ذلك ، فإن حجب هذا التكوين أحادي الاتجاه لأنه يتم تحديده من خلال الفصل من البوابة إلى الصرف “، قال Veliadis.

تتمثل إحدى طرق جعل الأجهزة ثنائية الاتجاه في الحجب في جعل الفصل من البوابة إلى الصرف مساويًا للفصل من المصدر إلى البوابة. بهذه الطريقة ، سواء كان الجهد العالي يأتي من المصدر أو من الصرف ، يمكنك الاحتفاظ بنفس الجهد من كلا الجانبين لأن فواصل بوابة المصدر وبوابة الصرف متماثلة. العيب هو أن درجة خلية الجهاز قد تمت زيادتها.

طريقة مثيرة للاهتمام لحل هذه المشكلة مع الحفاظ على خطوة الخلية إلى الحد الأدنى هي بنية البوابة المزدوجة الموضحة في الشكل 3. عندما يأتي الجهد العالي من المصدر الثاني ، سيتم استخدام البوابة الأولى ، وتحجب منطقة التصريف الشائعة الجهد العالي إبقاء المصدر إلى مدى البوابة صغيرًا. وبالمثل ، إذا كان الجهد العالي يأتي من المصدر الأول ، فستتحكم البوابة الثانية في الجهاز.

قال Veliadis: “يستفيد المحول ثنائي الاتجاه ثنائي البوابة من منطقة التصريف المشتركة للحفاظ على أصغر درجة ممكنة لخلية الجهاز”.

تم إثبات هذا المفهوم من قبل شركة باناسونيك ، مع مفتاح GaN ثنائي الاتجاه أحادي البوابة مزدوج البوابة عادةً ما يحقق توصيلًا متماثلًا 100 أمبير وفلطية مانعة قدرها 1100 فولت.

كيفية عمل مفاتيح ثنائية الاتجاه SiC

ترانزستورات الطاقة SiC ، إما MOSFETs مستوية ، أو MOSFET الخندق ، أو JFETs ، هي في الأساس ذات تكوين رأسي ولها صمام ثنائي داخلي يحدد شروطًا لتدفق التيار ثنائي الاتجاه المتماثل. على الرغم من إمكانية التدفق ثنائي الاتجاه المتماثل ، فإن حظر الجهاز الرأسي يصبح مشكلة عندما يتعلق الأمر بالجهد ثنائي الاتجاه.

يتمثل أحد الحلول الممكنة في توصيل جهازين متتاليين في تكوين المصدر المشترك ، كما هو موضح في الشكل 4-أ. يتيح لك هذا التكوين التحكم في الحجب ثنائي الاتجاه والتوصيل باستخدام محرك بوابة واحد. بدلاً من ذلك ، يمكنك توصيل الأجهزة في تكوين الصرف المشترك ، كما هو موضح في الشكل 4-ب. في هذه الحالة ، هناك حاجة إلى محركي بوابة منفصلين. يمكن أن يكون لديك جهاز واحد بطبقة انجراف مشتركة ، كما هو موضح في الشكل 4-ج.

“يمكن إجراء تكوين متصل من مصدر مشترك بشكل متآلف ، مما يعني أن كلا الشريحتين متصلتان ببعضهما البعض على نفس الرقاقة. هذا الحل يبسط التغليف ويساعد على تقليل بعض الحثيات التي تعتبر بالغة الأهمية في الأجهزة ذات فجوة الحزمة الواسعة “، قال Veliadis.

هناك طريقة أخرى تتمثل في توصيل اثنين من SiC MOSFETs في تكوين الصرف المشترك ، والحصول على مفتاح ذو 4 أطراف مع بوابتين مختلفتين تتحكمان في التدفق الحالي.

تطبيق العاكس المصدر المشترك

طوبولوجيا الجهد-المصدر-العاكس (VSI) (الشكل 5) المبنية بمفاتيح Si التقليدية (MOSFET و IGBT والصمام الثنائي) لها بعض القيود. تميل المكثفات إلى أن تكون هشة إلى حد ما ومحدودة في درجة الحرارة. علاوة على ذلك ، فإن ارتفاع dV / dt يخلق إجهادًا لعزل المحرك ، مما ينتج عنه وضع شائع لضوضاء EMI.

يستخدم تكوين المصدر المشترك (CSI) محثًا ، وهو مكون شديد الصلابة يمكنه تحمل درجات الحرارة المرتفعة. يوضح الشكل 5 أن تكوين CSI يحقق تشويهًا توافقيًا منخفضًا للغاية ، مما يقلل من الوضع الشائع EMI وتحمل التيار.

تمكّن المحولات ثنائية الاتجاه أحادية الاتجاه ذات فجوة الحزمة العريضة من التغلب على قيود طوبولوجيا VSI وتقليل عدد الأجهزة نظرًا لعدم الحاجة إلى الثنائيات المستخدمة في طوبولوجيا VSI. يؤدي هذا أيضًا إلى تقليل خسائر التوصيل وزيادة الكفاءة وكثافة الطاقة.

“في حالة توفر محولات ثنائية الاتجاه متجانسة ، يمكنك منع التدفق الحالي ثنائي الاتجاه. لن تحتاج إلى الثنائيات بعد الآن ، وستحصل على جهاز واحد يمنع التيار ويوصله في كلا الاتجاهين. لذلك ، يمكن لمفاتيح التبديل ذات فجوة النطاق العريضة ثنائية الاتجاه والمتجانسة أن تعزز قبول سوق CSI وتجلب فوائد CSI إلى السوق “، قال Veliadis.

مراجع

¹ دكتور فيكتور فيلياديس ، “تكنولوجيا ثنائية الاتجاه SiC و GaN Switch.” PowerUp ، 27 يونيو 2023.