إمداد المستقبل بالطاقة: استكشاف الاتجاهات التكنولوجية في تحويل الطاقة – PowerUp Expo 2023

إن تحويل الطاقة منتشر في كل مكان في العالم الحديث حيث تتطلب الأجهزة الإلكترونية شكلاً من أشكال تحويل الطاقة ، سواء كان التحويل من التيار المتردد إلى التيار المستمر ، أو تصعيد أو مستويات الجهد ، أو تحويل الطاقة لتطبيقات متنوعة. منحنى استهلاك الطاقة يرتفع فقط ، مما يلقي الضوء على الحاجة الملحة للتركيز على تحسين كفاءة الطاقة في تحويل الطاقة.

في معرض PowerUp Expo 2023 ، ناقشت لجنة من كبار الخبراء الاتجاهات التقنية الحالية في تحويل الطاقة فيما يتعلق بالمعايير المتزايدة لزيادة كفاءة الطاقة. بقيادة موريزيو دي باولو إميليو ، رئيس تحرير أخبار إلكترونيات الطاقة ، استكشف المنتدى العديد من التقنيات والتحديات الجديدة لدعم تحويل الطاقة في التطبيقات المختلفة.

خطوات واسعة مع تقنية PulsivOSMIUM

بدأت المناقشة مع داريل كينغهام ، الرئيس التنفيذي لشركة Pulsiv ، حيث سلط الضوء على الإهمال تجاه قيم الكفاءة في أوضاع الطاقة المنخفضة / الاستعداد. يوضح الانخفاض الكبير في الكفاءة في أوضاع الطاقة الاحتياطية / المنخفضة وخسائر الطاقة اللاحقة في محول التيار المتردد / التيار المستمر. تتدهور الكفاءة الإجمالية للجهاز في وضع الاستعداد أو عند انخفاض الطاقة. لحسن الحظ ، تعمل تقنية Pulsiv’s OSMIUM ودعم مجموعة من هياكل AC / DC و DC / DC على تعزيز الكفاءة الكلية مع تقليل فقد الطاقة في أوضاع الطاقة المنخفضة / الاستعداد. إنه يضيق فقد الطاقة مع زيادة قيم الكفاءة باستخدام 100 واط من السيليكون بمفتاح واحد FET Flyback.

بسيط في التصميم ، إنه نهج مبتكر يستلزم شحن وتفريغ مكثف تخزين مضغوط ، مما ينتج عنه تصميم نظام مضغوط للغاية مع العديد من الفوائد. خالٍ من محث عامل الطاقة (PFC) ، فهو مضغوط ، مما يتيح تصميمات منتجات أكثر انسيابية وفعالية من حيث المساحة تكمل أجهزة GaN و SiC.

تتمثل ميزة استخدام Pulsiv OSMIUM في وجود وحدة (وحدات) إدخال وإخراج عالمية. يتم تزويد المهندسين والعملاء بالمرونة اللازمة لتعديل التكنولوجيا وفقًا لمتطلباتهم. في ضوء مشاريعها المستقبلية ، تتوقع Pulsiv توفير منصة لتوسيع ملف كفاءة OSMIUM إلى أكبر عدد ممكن من التطبيقات.

فوائد GaN و SiC

يتحدث Andrea Bricconi ، الرئيس التجاري في Cambridge GaN Devices ، عن الابتكار الذي يمكن أن تنطوي عليه سلسلة H1 و H2 من HEMTs لنتريد الغاليوم ICeGaN 650-V.

تم تصميم ICeGaN 650-V نيتريد الغاليوم (GaN) HEMTs (ترانزستورات التنقل عالية الإلكترون) ، التي طورتها أجهزة Cambridge GaN (CGD) ، للعمل عند تصنيف جهد يبلغ 650 فولت واستخدام GaN كمادة أشباه الموصلات.

تقدم تقنية ICeGaN وضعين للتحسين: الوضع الإلكتروني والوضع d. في الوضع الإلكتروني ، تُظهر ICeGaN HEMTs كفاءة أعلى ، وأقل مقاومة (RDS (on)) ، وسرعات تحويل أسرع من الأجهزة القائمة على السيليكون. تقلل شحنة البوابة المخفضة (QG) من خسائر التبديل ، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة. يعزز تكامل بنية cascode من قدرات التعامل مع الجهد والاستجابة الديناميكية.

في الوضع d ، تعمل أجهزة ICeGaN في حالة إيقاف التشغيل بشكل طبيعي ، مما يوفر سلوكًا آمنًا من الفشل. إنها الافتراضية في حالة خارج الحالة بدون جهد بوابة ، مما يضمن عدم وجود توصيل تيار غير مقصود ويعزز السلامة. تعمل عملية الوضع d على تبسيط تصميم الدوائر ، مما يلغي الحاجة إلى الفولتية الإيجابية للبوابة والمكونات الإضافية. هذا يبسط التصميم العام للنظام ويحسن الموثوقية.

الدوائر المتكاملة هي واجهة متجانسة ودوائر أمان في الوضع الإلكتروني (غالبًا ما تكون متوقفة) أحادية الشريحة GaN HEMTs ، مما يوفر موثوقية بوابة لا مثيل لها وبساطة التصميم ويضمن التشغيل السلس والأداء المحسن. لضمان سلامة أجهزة HEMT ، ينص Andrea على أنه حتى في الحالة الديناميكية ، يمكن لبوابة GaN تحمل ارتفاعات الجهد 3 مرات أكثر من القيم النموذجية.

تتيح دوائر الواجهة المتكاملة في ICeGaN HEMTs التحكم الفعال والموثوق في جهد البوابة. وهذا يضمن خصائص تبديل دقيقة ودقيقة ، مما يقلل من فرص حدوث أعطال أو عدم استقرار متعلقة بالبوابة. يلغي التكامل الأحادي الحاجة إلى محركات البوابة الخارجية أو دوائر التحكم المعقدة للبوابة ، مما يبسط التصميم ويقلل من عدد المكونات الخارجية المطلوبة. أفادت رؤى أندريا حول طبيعة عدم التحميل أو الحمل الخفيف لسلسلة H2 عن انخفاض بنسبة 25-30 ٪ في الخسائر عند عدم التحميل. ويشير أيضًا إلى إمكانية تقليل خسائر الطاقة الاحتياطية على مستوى المكونات بسبب الطبيعة الجانبية المحظوظة لأجهزة GaN.

يسير Haachitaba Mweene ، كبير مهندسي النظام الرئيسيين لمنتجات تحويل الطاقة والإشارة في Nexperia ، خلال التكوينين ، الوضع D والوضع E ، في برامج تشغيل GaN HEMT ومدى أجهزة Nexperia عبر هذه التكوينات. يقدم منظورًا هندسيًا للتكوينات التقليدية وإصدارات Nexperia المحسّنة من برامج التشغيل ، بما في ذلك فيزياء كل تكوين وإيجابيات وسلبيات.

يكرر مدير خط الإنتاج لوحدة أعمال كربيد السيليكون في Microchip Technology في Microchip ، Rob Weber ، مهمة ونهج تقنية Microchip مع GaN. يتحدث عن مجموعة واسعة من أجهزة كربيد السيليكون ذات معدلات الفولتية من 600 فولت إلى 3.3 كيلو فولت ، بما في ذلك الفروق والوحدات وبرامج تشغيل البوابة التي توفرها Microchip والتزام الشركة بتقديم نظام بيئي شامل لتكنولوجيا كربيد السيليكون ، وتشمل الأجهزة ، والتعبئة ، والتصميمات المرجعية ، وسلسلة التوريد القوية.

اعترافًا بالاعتماد المتزايد لمواد ذات فجوة نطاق واسعة مثل كربيد السيليكون و GaN ، يشير Rob إلى استثمارات كبيرة تقوم بها الشركة لضمان سلسلة توريد آمنة. أنشأت الشركة صنفين فاب ، أحدهما خاص بها ، ويعتمد على موردين متعددين للرقائق فوقية. يخفف هذا النهج من المخاطر المرتبطة بالجغرافيا والجغرافيا السياسية ، مما يوفر للعملاء اليقين والموثوقية في توفير أجهزة ذات فجوة نطاق واسعة. كما يطلع على MPLAB SiC Simulator لدعم العملاء في نمذجة وتقييم تطبيقات كربيد السيليكون.

علاوة على ذلك ، يتحول النقاش إلى كيفية عمل المحاكيات ، وتحديداً Qspice ، وكيف يتنبأ المهندسون بأداء الدائرة باستخدام نفس الشيء. يسلط مايك إنجلهاردت ، مبتكر Qspice ، الضوء على مزايا المحاكي وكيف يمكنه تبسيط عملية التصميم والتقييم. كما أكد حقيقة أنها كانت أداة مجانية.

تتفوق Qspice في حل محاكاة الدوائر ، متجاوزة قدرة برامج سبايس الأخرى على التعامل مع دوائر أشباه الموصلات المعقدة والتفاعلات والمصادر. بعد التحسينات المملة على مدى ثلاث سنوات ونصف ، يمكن لجهاز المحاكاة دمج كميات هائلة من المنطق الرقمي في محاكاة التوابل. يتضمن تحسين المجمعين الذين يحولون C ++ أو كود مصدر Verilog إلى كود كائن أصلي ، مما يؤدي إلى تقييم أسرع للمنطق الرقمي في المحاكاة مقارنة بالأجهزة. كما أنه يصمم بدقة جوانب مختلفة ، مثل اتصال I²C وتغييرات التسجيل الديناميكي أثناء المحاكاة ، مما يقلل من احتمالية الأخطاء ويجعل التنبؤ بأداء الدائرة أكثر موثوقية.

خلصت حلقة النقاش إلى أن الاستدامة هي الهدف النهائي لبذل الجهود التكنولوجية. تعد تقنية GaN واعدة ، ويمكن أن تمهد إمكاناتها غير المستغلة الطريق لمزيد من الابتكار التكنولوجي. ولوحظ أيضًا أنه لا توجد تقنية معينة من شأنها أن تدفع الصناعة إلى زيادة كفاءة الطاقة في التحويل التي لم يتم تحديدها من قبل ولكن هذا الجهد الجماعي من شأنه أن يدفع الابتكار.