كيفية إطلاق العنان للفوائد الكاملة لوحدات طاقة كربيد السيليكون

يُعتبر السيليكون تقليديًا المادة المفضلة لأشباه موصلات الطاقة، ولكن ظهر مؤخرًا كربيد السيليكون (SiC) كخيار بديل للمواد التي توفر أداءً محسنًا لتطبيقات الحرارة العالية والجهد العالي.

تتميز وحدات الطاقة من SiC بترددات تبديل أعلى مع تقليل الفاقد لمكونات المرشح السلبي الأكثر إحكاما، وبالتالي توفير كثافة طاقة أعلى في الأنظمة بتكاليف أقل.

التبديل السريع

يمكن لأشباه موصلات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) ذات الفجوة الواسعة أن تحدث ثورة في سوق وحدات الطاقة من خلال سرعات تبديل أسرع وخسائر أقل وتداخل كهرومغناطيسي أقل (EMI). لكن الاستفادة الكاملة من مزايا وحدات SiC تتطلب استخدام نهج مناسب عند تصميمها وتجميعها - فيما يلي بعض أفضل الممارسات التي قد تساعد المطورين على التغلب على أي عقبات وتحقيق فوائدها الكاملة.

تتمتع ترانزستورات الطاقة عالية السرعة من SiC بإمكانية تقليل جهد النظام بما يصل إلى 501 تيرابايت 3 تيرابايت مع تقديم أداء توافقي فائق، مما يتيح للمصممين استخدام مكونات غير فعالة أصغر وزيادة كثافة الطاقة. لا يزال محاثة التبديل أحد التحديات الرئيسية المرتبطة بأجهزة SiC؛ وللتخفيف من حدتها، قد يرغب المصممون في دمج ترانزستورات SiC MOSFET في حزم ذات محاثة طفيلية قليلة.

تتميز منصة وحدة الطاقة SEMITOP E1/E2 بأحدث أجيال الشرائح عبر طوبولوجيات مختلفة، مثل طوبولوجيات سداسية العبوات ونصف الجسر والجسر H. وقد تم تحسين تصميمها من أجل تصميمات أسهل لثنائي الفينيل متعدد الكلور وموازاة وحدات طاقة متعددة في وقت واحد، وتتميز بمعامل درجة حرارة RDS (تشغيل) منخفض للغاية يتيح سرعات تشغيل عالية.

تُعد وحدات طاقة كربيد السيليكون خيارًا ممتازًا للتطبيقات التي تتطلب زيادة كثافة الطاقة والموثوقية وسرعات تبديل أسرع. كما أن نطاق درجة حرارتها الواسع وكفاءتها العالية يجعلها خيارًا جذابًا لمحركات المحركات وشواحن البطاريات على حد سواء؛ وعلاوة على ذلك، يمكنها تحمل التيارات الكبيرة مع توفير سلوك حراري متفوق مقارنة بأشباه موصلات الطاقة السيليكونية التقليدية لتحقيق وفورات كبيرة في التكاليف.

على الرغم من فوائده العديدة، إلا أن التبديل عالي السرعة لا يزال يمثل العديد من العقبات التي تحول دون اعتماده على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية. وتشمل هذه العقبات صعوبة اختبار المفاتيح وقياسها بدقة؛ وطفيليات الدائرة التي قد تسبب طفرات في الجهد؛ وعدم الامتثال للوائح التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي؛ فضلاً عن متطلبات التصميم والتكامل المعقدة للغاية لمراحل الطاقة. لحسن الحظ، يمكن للعديد من أفضل الممارسات التغلب على هذه المشكلات وإطلاق العنان للإمكانات الكاملة لتقنية SiC في التطبيقات عالية السرعة.

تستفيد منصة وحدة الطاقة LM من Wolfspeed من مزايا وحدة الطاقة LM من Wolfspeed من مزايا كربيد السيليكون في التطبيقات ذات كثافة الطاقة المتطلبة مثل شواحن السيارات الكهربائية وأجهزة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة الصناعية، مثل حزمة الوحدة المبتكرة مقاس 62 مم التي تجمع بين أشباه موصلات التبديل SiC مع لوحة أساسية قياسية في الصناعة لإنتاج تشغيل درجة حرارة تقاطع مستمر تبلغ 175 درجة مئوية وتتميز بركيزة طاقة Si3N4 موثوقة لضمان المتانة الميكانيكية ضد البيئات القاسية، بالإضافة إلى لوحة أساسية من AlSiC مع مقاومة حرارية منخفضة للغاية من الوصلة إلى السائل تبلغ 0.15 درجة مئوية/ثانية لكل موضع مفتاح لتحقيق أقصى أداء مقاومة حرارية ومتانة ميكانيكية في الظروف القاسية.

كثافة طاقة عالية

تستحوذ محركات الجر على جزء كبير من ناتج الطاقة في السيارة الكهربائية (EV)، لذلك يجب أن تعمل بأقصى قدر من الكفاءة مع شغل أقل مساحة ممكنة لتقليل الوزن. وعلاوة على ذلك، ولزيادة المدى إلى أقصى حد، يجب أن تولد طاقة عالية من المساحات الصغيرة؛ وللقيام بذلك يتطلب محولات تحويل الطاقة بترددات تبديل أعلى وخسائر أقل من المحولات IGBTs السيليكونية التقليدية.

كربيد السيليكون واسع النطاق (WBG SiC) هو المادة المثلى لتحقيق أهداف الأداء هذه. بالمقارنة مع أجهزة Si التقليدية، يمكن لأجهزة WBG SiC أن تعمل في درجات حرارة وفولتية أعلى دون تكبد خسائر في التحويل كما هو الحال مع أجهزة السيليكون؛ بالإضافة إلى أنها تتميز بخسائر تبديل أقل من السيليكون مما يسمح بترددات تبديل أعلى مما يزيد في النهاية من الكفاءة وكثافة الطاقة.

وعلى هذا النحو، يعتمد مصممو أنظمة تحويل الطاقة بشكل متزايد على أجهزة كربيد السيليكون (SiC). ومع ذلك، يمكن أن يمثل استخدام SiC مجموعة من التحديات الخاصة به؛ على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة ومستويات الطاقة إلى ضغط غير مبرر على وصلات اللحام التي تقلل من قدرة تدوير الطاقة بشكل كبير. وقد استجابت شركة Vincotech من خلال إنشاء تقنية لحام رقاقة مبتكرة تخفف من هذه الضغوط لتعزيز قدرات وحدات SiC على تدوير الطاقة.

تتميز وحدات SiC بتوصيل حراري فائق مقارنةً بالأجهزة الأخرى، مما يمكّن المصممين من تقليل أحجام مكونات المرشح السلبي لزيادة كثافة الطاقة مع تقليل احتياجات تبديد الحرارة، وبالتالي خفض التكاليف الإجمالية للنظام.

يمكن أن تساعد SiC أيضًا في تقليل وزن محولات الطاقة وحجمها نظرًا لصغر حجمها مقارنةً بأجهزة السيليكون التقليدية، مما يساعد على تحسين كفاءة النظام وموثوقيته مع تقليل الوزن والحجم.

بغض النظر عن التطبيق، يجب على مصنعي محولات الطاقة التأكد من قدرة وحداتهم على تلبية معايير الأداء المطلوبة. ويشمل ذلك تحقيق تردد تبديل عالٍ ومحرِّض شارد منخفض - وهي عناصر أساسية للحفاظ على معدلات الحافة السريعة المطلوبة لتحقيق الأداء الأمثل. لحسن الحظ، تلبي وحدات طاقة Wolfspeed من Wolfspeed التي تعمل بالحرارة 3.3 كيلو فولت بالكامل هذه المعايير الصارمة بفضل المشاركة الحالية الرائدة في الصناعة ونقاط قوة محرك البوابة.

كفاءة عالية

تتميز أشباه موصلات الطاقة من SiC ذات الفجوة الواسعة النطاق بخسائر منخفضة بشكل كبير عند مقارنتها بنظيراتها من السيليكون، مما يسمح بترددات تبديل أعلى ومكونات سلبية أصغر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتحمل أشباه موصلات SiC درجات الحرارة القصوى دون أن تفقد أدائها بمرور الوقت.

تمكّن هذه العوامل المصممين من بناء أنظمة تحويل طاقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وصغيرة الحجم وفعالة من حيث التكلفة باستخدام وحدات SiC. وقد أدى هيكلها الخفيف الوزن والمرن في نفس الوقت إلى توفير في الوزن يبلغ 201 تيرابايت 3 تيرابايت لمحولات الجر في عربات السكك الحديدية المستخدمة في نظام قطارات شينكانسن في اليابان؛ وبالمثل يمكن لشواحن السيارات الكهربائية وشواحن بطاريات السكك الحديدية الاستفادة من زيادة كفاءة وأداء SiC.

كما أن مادة SiC الأقل سمكًا تقلل أيضًا من محاثة التبديل، مما يتيح سرعات تبديل أسرع تؤدي إلى أحجام أصغر لمكونات المرشح المغناطيسي وزيادة كثافة الطاقة. كما أن تردد التبديل الأعلى يقلل أيضًا من جهد التموج للحصول على حلقات تغذية مرتدة أقصر مع انخفاض مستويات التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي؛ كما أن انخفاض فقدان التبديل يقلل من فقدان الطاقة بشكل أكبر مع زيادة استقرار درجة الحرارة.

توفر Wolfspeed محفظة واسعة من وحدات كربيد السيليكون لتلبية متطلبات التطبيقات المختلفة، بما في ذلك وحدات تصحيح معامل القدرة AC-DC، ووحدات التيار المتردد/التناوب المستمر/التناوب المعزز، ووحدات التيار المتردد/التناوب المستمر ثنائية الاتجاه ووحدات التيار المستمر/التناوب المستمر عالية التردد التي ستساعد المصممين على تسخير فوائدها. تتضمن محفظة Wolfspeed أيضًا تصميمات مرجعية ومجموعات أدوات تقييم للمساعدة في عملية التصميم.

تُعد SiC خيارًا جذابًا، إلا أن تحقيق إمكانات الطاقة الكاملة لها يتطلب معالجة بعض الخصائص الميكانيكية. وتشمل هذه التحديات الإجهاد الحراري ودرجات حرارة التشغيل المرتفعة والقدرة المحدودة على تدوير الطاقة - ومع ذلك فإن تقنية فينكوتك المتقدمة لربط القوالب تقدم حلولاً للتغلب على هذه الصعوبات من خلال تخفيف الضغط عن وصلات اللحام - الحلقة الضعيفة في وحدات طاقة الكربون الهيدروجينية.

وتستخدم تكنولوجيا الشركة سبيكة لحام حاصلة على براءة اختراع لضمان قدرة وحدات الطاقة على تحمل الإجهاد الحراري طويل الأمد دون تلف رقائق السيليكون، وبالتالي زيادة عمر الدورة وتقليل مخاطر الفشل في تطبيقات إمدادات الطاقة الطبية الصعبة. وعلاوة على ذلك، تعمل هذه التقنية المتقدمة على تقوية الترابط بين رقائق السيليكون والركائز المعدنية، وبالتالي زيادة قدرة رقائق السيليكون على الدوران.

المتانة

يمكن أن يوفر كربيد السيليكون (SiC)، باعتباره مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق واسعة، العديد من المزايا في تطبيقات تحويل الطاقة. يمكن أن تشمل هذه المزايا تحسين الكفاءة وانخفاض التكاليف وصغر الحجم - على الرغم من أنه من أجل تحقيق هذه المزايا المحتملة من الضروري التغلب على عقبات التصميم التقنية المختلفة.

تمثل وحدات الطاقة من SiC تحديًا إضافيًا عندما يتعلق الأمر بزيادة قدرات تدوير الطاقة. تحاكي اختبارات تدوير الطاقة الأحداث الواقعية التي تضع ضغطاً على الآليات والمواد الداخلية للأجهزة. وتستخدم الصناعة اختبارات تدوير الطاقة كمعيار لقياس أدائها في ظل ظروف مختلفة؛ ولإجراء هذه الاختبارات، تقوم آلة اختبار التيار المتناوب بتطبيق تيار متناوب عالي الجهد على الأجهزة مما يسبب أحداث تبديدية تزيد من درجة الحرارة بشكل كبير؛ حيث تتطلب درجات الحرارة المرتفعة كميات أكبر من الطاقة لتتحول من حالة الحجب إلى حالة التوصيل.

تؤدي زيادة طاقة التحويل إلى إنتاج الحرارة، مما يقلل من عمر الجهاز ويزيد من خطر حدوث ماس كهربائي أو انهيار جليدي. وفي ظل هذه الظروف، قد تحدث أعطال في الدارة القصيرة أو الانهيار الجليدي، مما يجعل هذه الأجهزة غير وظيفية وتتعطل تمامًا في نهاية المطاف.

تضمنت الحلول التقليدية إضافة مكونات إضافية في الدوائر لحماية الأجهزة، ولكن هذا يزيد من التكلفة الإجمالية وتعقيد محولات الطاقة. ونتيجة لذلك، توصلت دانفوس إلى تقنية جديدة مبتكرة للترابط والربط تعرف باسم بوند بوند بافر والتي تعمل على حل هذه المشكلات بشكل فعال.

وتستخدم هذه التقنية الحاصلة على براءة اختراع تقنية ربط الأسلاك النحاسية والقالب الملبد لاستبدال وصلات اللحام في الوحدات، مما يتيح لها العمل في درجات حرارة قصوى أعلى للوصلات دون تدهور التيار، فضلاً عن تحسين الموثوقية وتوسيع نطاق القدرة على تدوير الطاقة.

تجمع منصة وحدات SiC من Vincotech بين سرعة وكفاءة وحدات MOSFET من كربيد السيليكون مع التغليف القياسي في الصناعة مقاس 62 مم لتحقيق أقصى فائدة للمستخدم في تطبيقات الحث المنخفضة مثل محركات المحركات الصناعية أو شواحن السيارات الكهربائية أو التطبيقات التي تعمل بالبطاريات.

أظهرت وحدات SiC من شركة Vincotech قدرة فائقة على تدوير الطاقة مقارنةً بالعروض المنافسة التي تستخدم سبائك اللحام التقليدية. ويمكن أن يُعزى هذا التحسن إلى قدرتها المحسنة على امتصاص الطاقة الحرارية وتبديدها بكفاءة.