تعمل أجهزة طاقة SiC و GaN على تمكين أهداف إزالة الكربون

في المؤتمر الافتراضي الأخير لمعرض PowerUP ، قدم قادة الصناعة من مجموعة واسعة من مصنعي إلكترونيات الطاقة تحديثاتهم على حلول المنتجات والأنظمة عبر مجموعة من التطبيقات التي تتراوح من توليد الطاقة إلى أجهزة المستهلك ذات الاستخدام النهائي. في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على عرض تقديمي تم تقديمه في هذا المؤتمر بعنوان “حلول مجموعة البنك الدولي تقود إزالة الكربون” ، والذي قدمه آدم وايت ، رئيس قسم الطاقة ونظام الاستشعار ، ويوهانس شوايسول ، رئيس خط أعمال EPIC في Infineon Technologies.

تطبيقات أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة (WBG)

كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) هما المادتان اللتان تم العثور عليهما من مجموعة WBG الأكثر نجاحًا في تطبيقات إلكترونيات الطاقة المختلفة. تتيح فجوة النطاق العالية الخاصة بهم زيادة أكبر من 10x في المجال الكهربائي الحرج مقارنة بالسيليكون (Si). هذا ، إلى جانب المزايا المادية الأخرى ، قد ترجم إلى العديد من التحسينات الرئيسية على Si في تحويل الطاقة مثل التبديل الأسرع ، وانخفاض الخسائر ، وتحسين القدرة على درجات الحرارة العالية (مع SiC) ، وتحسين كثافة الطاقة ، وتمكين طبولوجيا أبسط في تصميمات المحولات . يوضح الشكل 1 استخدام إلكترونيات الطاقة SiC و GaN في تطبيقات مثل:

• توليد الطاقة على نطاق الشبكة وتخزينها باستخدام مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
• النقل بالمركبات الكهربائية والقطارات والبنية التحتية للشحن.
• مضخات حرارية كهربائية منزلية عالية الكفاءة.
• إمدادات الطاقة لمراكز الاتصالات والبيانات.
• التطبيقات الصناعية مثل UPS ومحولات الطاقة لمحركات المحركات.
• شواحن / محولات المستخدم النهائي للمستهلكين ، والمحولات الصغيرة السكنية ، وأنظمة تخزين طاقة البطارية.

دعونا نلقي نظرة على بعض هذه الأمثلة بمزيد من التفصيل.

توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح

تشير التقديرات إلى أن القدرة المركبة الكهروضوئية (PV) ستزيد بنسبة 22 ٪ من 2020 إلى 2021. وقد أدى الدفع من قبل العديد من البلدان لتحقيق أهداف تغير المناخ 2030 و 2050 ، إلى جانب التكاليف المواتية مقارنة بإنتاج الوقود الأحفوري ، إلى توقعات معدلات النمو السنوية المركبة (CAGR) في الطاقة الكهروضوئية المركبة بنسبة 25٪ حتى عام 2030 ، بإجمالي 4200 جيجاواط من السعة المضافة. كما هو موضح في مثال العاكس الشمسي 100 كيلو وات في الشكل 2 ، كانت كثافة الطاقة الجاذبية التي تم تحقيقها في عام 2008 باستخدام أجهزة الطاقة Si 0.09 كيلو واط / كجم. أدى استخدام SiC إلى تحسين ذلك في عام 2018 إلى 1.6 كيلو واط / كجم ، كما أدت أجهزة SiC الأحدث بقدرة 2 كيلو فولت في عام 2022 إلى تحسين ذلك إلى> 3 كيلو واط / كجم. تؤدي الأنظمة الأصغر والأعلى كفاءة أيضًا إلى عمليات تركيب أسهل ، سواء بالنسبة لمحولات السلسلة الكبيرة الحجم في المزارع الشمسية أو على مستوى العاكس الصغير للتطبيقات السكنية.

عادةً ما يتم تصنيف أجهزة GaN HEMT الجانبية في النطاق = <650 فولت. كان اعتمادها أبطأ من SiC MOSFETs ، خاصة خارج مساحة تطبيق الشاحن المحمول. من المتوقع أنه مع نمو المصممين والعملاء بشكل أكثر راحة مع الهياكل الحديثة التي تستفيد استفادة كاملة من قدرات GaN ، فإن نموهم سيتسارع. يستفيد أحد الأمثلة على هذا الاستخدام ، الموضح في الشكل 3 ، من التدفق الحالي الذي تتحكم فيه البوابة ثنائية الاتجاه جوهريًا لجهاز HEMT الذي يفتقر إلى الجسم p (مع التعديلات اللازمة ، مثل البوابة المزدوجة لقدرة حجب الجهد ثنائي الاتجاه ). يتيح ذلك استخدام العاكس الشمسي أحادي المرحلة بدلاً من العاكس التقليدي ذي المرحلتين الذي يستخدم واجهة أمامية DC / DC متبوعة بمحول DC / AC. يتم فصل المحولات متعددة المراحل باستخدام عناصر سلبية تشغل حجمًا ووزنًا كبيرين. يمكن أن يؤدي التبديل بين التيار المتردد والتيار المتردد باستخدام محولات سيكلو تعتمد على مفاتيح 4 رباعي إلى خسائر أقل وكثافة طاقة أعلى ونظام أرخص مع تعقيد أقل. من المتوقع أن تلعب هذه المحولات القائمة على GaN دورًا رئيسيًا في سوق الطاقة الشمسية السكنية بحلول عام 2030.

المركبات الكهربائية

لقد وجدت الأنظمة القائمة على SiC قبولًا واسعًا في مساحة عاكس الجر للمركبات الكهربائية ، حيث تتناسب متطلبات درجات الحرارة العالية والطاقة العالية مع النقطة المثالية لقدرة SiC مع تحسينات كبيرة في الكفاءة مقارنةً بـ Si IGBTs. يمكن أن يترجم هذا إلى تحسن بنسبة 10-12٪ في نطاق السيارة. يمكن أن يكمل أداء الحمل الخفيف المحسن كثيرًا لـ SiC MOSFETs أفضل تحميل عالي / سرعة عالية وميزة التكلفة لـ Si IGBTs ويؤدي إلى أنظمة هجينة. يتم تصنيف SiC MOSFETs عند 1200 فولت وأعلى في وضع جيد لأنظمة البطاريات 800 فولت المخطط لها للمركبات الكهربائية المستقبلية مع إمكانية الشحن السريع. اليوم ، الغالبية العظمى من نمو سوق أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد الكربون مدفوعة باستخدام السيارات ، ومن المتوقع أن يستمر هذا الاتجاه.

تعرض شواحن EV على متن الطائرة مثالًا مثيرًا للاهتمام حيث من المتوقع أن تحل المحولات القائمة على GaN محل شواحن SiC بحلول عام 2030. يُترجم فقدها الطفيلي المنخفض وقدرتها العالية على تبديل التردد إلى كثافة طاقة على مستوى النظام و / أو تحسينات في الكفاءة. كما هو مبين في الشكل 2 ، بينما حسنت SiC كثافة الطاقة الحجمية لنظام 11-22 كيلو واط و 400 فولت من 2 كيلو واط / لتر إلى 4 كيلو واط / لتر ، يمكن للجاليوم تحسين ذلك إلى> 6 كيلو واط / لتر.

تخزين الطاقة السكنية

تخزين الطاقة لا يقل أهمية عن توليد الطاقة المتجددة. يجب أن تكون هذه الأنظمة ثنائية الاتجاه وفعالة. يمكن أن يعمل نظام 650 فولت ، المعتمد على CoolSiC ™ MOSFET من شركة Infineon ، الموضح في الشكل 4 ، على ترددات أعلى مع خسائر أقل ، مما يتيح مغناطيسات أصغر. ومن ثم لوحظ تحسن في حجمه ووزنه وكفاءته مقارنة بالمحولات القائمة على Si.

شواحن موبايل

تمكّن ترددات التحويل الأعلى مع الخسائر المنخفضة المحولات القائمة على GaN HEMT من التفوق بشكل كبير على نظيراتها القائمة على Si في مقاييس مختلفة عند استخدامها في سوق الشاحن المحمول. يتضمن ذلك كثافة طاقة أعلى لتمكين عوامل الشكل الأصغر وطبولوجيا أبسط. مثال على ذلك موضح في الشكل 5.

كما هو موضح ، يتكون المهايئ / الشاحن ، المصنوع من شركة Infineon بالتعاون مع Anker ، من محول هجين للرجوع للخلف (HFB) ، ومرحلة طاقة متكاملة (IPS) بها محرك بوابة ومفتاحان من GaN ، وجانب ثانوي متزامن المعدل (SR) ومفتاح الحمل. بإقران هذا مع وحدة تحكم محسّنة وخوارزميات برمجية ، تم تحقيق انخفاض بنسبة 53٪ في الحجم باستخدام GaN مقارنةً بـ Si ، مع خسارة أقل بنسبة 21٪.

خاتمة

هناك حاجة إلى إزالة الكربون في جميع القطاعات المتعلقة بالطاقة لتحقيق أهداف 2050/2060 الصافية لصفر الكربون. ويشمل ذلك توليد الطاقة المتجددة وتوزيعها وتخزينها وكهربة القطاعات السكنية والصناعية وقطاعات النقل. تعمل إلكترونيات الطاقة القائمة على أشباه الموصلات SiC و GaN WBG على تمكين تحول هذه الصناعات. من المتوقع أن تشهد أجهزة الطاقة المصنوعة من SiC و GaN تجاوز معدل النمو السنوي المركب بنسبة 25٪ في المستقبل المنظور.