تقنية ريتش باور

　　مقارنة SiC MOSFET و IGBT: الأداء، التطبيقات وخارطة طريق تكنولوجيا أشباه الموصلات الكهربائية

مع سعي الصناعات المختلفة لتحقيق كفاءة طاقة أعلى، ترددات تحويل أسرع وإدارة حرارية محسّنة، تتقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات الكهربائية بوتيرة متسارعة.

الجهازان المهيمنان في الأجهزة الحديثة هما ترانزستورات SiC MOSFET ووحدات IGBT. عند تصميم محولات الجر للمركبات الكهربائية، أنظمة تحويل الطاقة الشمسية ومحركات القيادة الصناعية، يقوم مهندسو الأجهزة بإجراء تقييمات مقارنة مباشرة بين حلول SiC و IGBT.

فهم الفجوات الأساسية في الأداء بين هاتين التقنيتين هو شرط أساسي لاختيار جهاز أشباه الموصلات الأمثل.

يغطي هذا الدليل المحتوى الأساسي التالي:

مبادئ تشغيل أجهزة طاقة SiC MOSFET و IGBT

مقارنة أداء مباشرة بين SiC و IGBT

قياس أداء SiC MOSFET مقابل ترانزستور السيليكون التقليدي (Si MOSFET)

المشهد التنافسي الكامل لثلاثة مسارات رئيسية لأشباه الموصلات الكهربائية: IGBT و SiC و GaN

سيناريوهات التطبيق الرئيسية التي تركز على أنظمة عاكس SiC

　　ما هو MOSFET SiC؟

إن MOSFET SiC (ترانزستور تأثير المجال المعدني-أكسيد-شبه الموصل من كربيد السيليكون) هو شبه موصل طاقة مبني على مواد شبه موصلة ذات فجوة نطاق عريضة.

يتفوق كربيد السيليكون على رقائق السيليكون التقليدية بمجموعة من نقاط القوة المادية المتأصلة:

تصنيف جهد انهيار أعلى

سرعة تحويل فائقة السرعة

فقدان تحويل منخفض بشكل كبير

تحمل تشغيلي فائق لدرجات الحرارة العالية

بفضل هذه المزايا، أصبحت ترانزستورات SiC MOSFET الجهاز المفضل لمعدات تحويل الطاقة عالية الكفاءة.

سيناريوهات التطبيق النموذجية للإنتاج الضخم:

محولات جر المركبات الكهربائية

محولات الطاقة الشمسية المرتبطة بالشبكة

أكوام الشحن السريع للتيار المستمر عالي الجهد

محركات صناعية عالية الأداء

في السنوات الأخيرة، نما اختراق السوق لحلول محولات SiC بشكل كبير، حيث تقلل بشكل فعال من استهلاك الطاقة الإجمالي للنظام وتعزز كفاءة التحويل عند الحمل الكامل.

　　ما هو IGBT؟

IGBT (ترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة) هو جهاز طاقة شبه موصل قائم على السيليكون يدمج خاصية التحكم بالبوابة المعتمدة على الجهد لترانزستورات MOSFET مع خاصية توصيل التيار العالي للترانزستورات ثنائية القطب.

لعقود من الزمن، هيمنت وحدات IGBT على صناعة الإلكترونيات القوية بفضل نقاط القوة الأساسية التالية:

قدرة تحمل تيار عالي استثنائية

عملية تصنيع إنتاج ضخم ناضجة ومستقرة

تكلفة مكونات تنافسية نسبيًا

لا تزال وحدات IGBT مستخدمة على نطاق واسع في:

محركات المحركات الصناعية العامة

أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة UPS

معدات اللحام الصناعية

محولات الجر للنقل بالسكك الحديدية

ومع ذلك، مع استمرار تشديد معايير كفاءة الطاقة العالمية، تشهد العديد من أنظمة تحويل الطاقة ترقيات للأجهزة، لتحل محل وحدات IGBT القديمة بمخططات SiC MOSFET عالية الكفاءة.

　　مقارنة المعايير الأساسية: SiC MOSFET مقابل IGBT

يجب على المهندسين تقييم مؤشرات الأداء الحرجة التالية عند مقارنة SiC وIGBT:

　أحد الفجوات الأكثر بروزًا يكمن في سرعة التبديل بين أجهزة IGBT و MOSFET. الأجهزة التي تعتمد بنية MOSFET (خاصة SiC MOSFET) تكمل عمليات التشغيل/الإيقاف بسرعة أكبر بكثير من IGBT، مما يقلل من فقدان تداخل الجهد والتيار ويرفع كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية.

　هذه الميزة الفريدة تضع مكونات SiC كخيار أول للمعدات الإلكترونية عالية التردد.

　　مقارنة بين SiC MOSFET وMOSFET السيليكون التقليدي

مقارنة هندسية شائعة أخرى تتناقض بين SiC MOSFET وMOSFET السيليكون التقليدي.

تُستخدم MOSFET السيليكون القياسية على نطاق واسع في الدوائر منخفضة الجهد ومنخفضة الطاقة، لكنها تواجه اختناقات أداء واضحة تحت ظروف التشغيل عالية الجهد وعالية الطاقة.

بفضل الخصائص الجوهرية للمواد ذات الفجوة العريضة، توفر ترانزستورات SiC MOSFET فقدان توصيل أقل واستقرارًا حراريًا فائقًا، وهو أمر لا غنى عنه للمعدات عالية الطاقة مثل محولات الجر في المركبات الكهربائية ومحولات ربط الشبكة للطاقة المتجددة.

　　ثلاثة مسارات رئيسية لتقنية أشباه الموصلات للطاقة: IGBT / SiC / GaN

يتمحور تطور أشباه الموصلات الكهربائية حول ثلاثة مسارات تقنية أساسية: IGBT وSiC وGaN. تستهدف كل تقنية نطاقات جهد مختلفة وتطبيقات رأسية محددة.

IGBT: يحتفظ بمزايا التكلفة البارزة للمعدات الصناعية الحساسة للتكلفة ذات التيار العالي

كربيد السيليكون: يوفر كفاءة لا مثيل لها وأداء تبديل ديناميكي لأنظمة تحويل الطاقة المتوسطة إلى العالية

GaN: محسّن لمصادر الطاقة خفيفة الوزن ذات الجهد المنخفض والتردد العالي جدًا

من بين المسارات الثلاثة، يمثل SiC القطاع الأسرع نموًا في سوق أشباه الموصلات للطاقة العالمية

　　سيناريوهات التطبيق الواسعة لعاكسات SiC

　يدفع الطلب القوي من الصناعة على كفاءة تحويل أعلى وكثافة طاقة نظام أعلى إلى الانتشار السريع لتقنية عاكسات SiC.

　　المركبات الكهربائية

　تتبنى شركات تصنيع السيارات الكبرى تدريجيًا وحدات طاقة SiC MOSFET لتحسين كفاءة نظام الدفع الكهربائي وزيادة مدى سير المركبة.

　　عواكس الطاقة الشمسية الكهروضوئية

　تحقق أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية المجهزة بأجهزة SiC كفاءة تحويل أعلى عند الحمل الكامل وتقلل من حجم وتكلفة هياكل التبريد المساعدة.

　　محركات المحركات الصناعية

استبدال وحدات IGBT التقليدية بأجهزة SiC يمكن معدات التحكم في المحركات الصناعية من تحقيق أداء فائق في توفير الطاقة.

　　أبرز مصنعي أشباه الموصلات العالمية لطاقة SiC

تقود العديد من عمالقة أشباه الموصلات الدولية البحث والتطوير والإنتاج الضخم لتقنية SiC، والموردون الأساسيون يشملون:

إنفينيون

وولفسبيد

إس تي ميكروإلكترونيكس

يعطي العديد من مهندسي الأجهزة الذين يصممون محولات طاقة عالية الأداء الأولوية لمجموعة إنفينيون الكاملة من وحدات طاقة SiC. يواصل هؤلاء المصنعون توسيع طاقة إنتاج رقائق SiC وإثراء محافظ منتجات وحدات الطاقة لتلبية الطلب المتزايد في السوق.

　　وحدات طاقة SiC عالية التيار لمعدات المحولات

بالنسبة لسيناريوهات التطبيقات عالية الطاقة مثل أنظمة الجر في المركبات والمحولات الصناعية الكبيرة، أصبحت وحدات طاقة SiC عالية التيار مكونًا أساسيًا لا غنى عنه.

تتميز وحدات طاقة SiC عالية التيار من الجيل التالي بالمزايا الأساسية التالية:

سعة تحمل تيار مستمر كبيرة

مقاومة منخفضة جدًا في حالة التشغيل Rds(on)

دعم ترددات تبديل مرتفعة

أداء ممتاز في تبديد الحرارة ودورات الحرارة

تتيح هذه الخصائص للمهندسين تصميم أنظمة عاكس SiC مدمجة وعالية الكفاءة. وحدات SiC عالية الطاقة مناسبة تمامًا لـ:

محولات الجر للمركبات التي تعمل بالطاقة الجديد

محولات الطاقة لتخزين الطاقة المتجددة والتوصيل بالشبكة

محركات صناعية عالية القدرة للخدمة الشاقة

　　اتجاهات التطوير المستقبلية لأشباه الموصلات SiC

تشهد صناعة الإلكترونيات القوية بأكملها تحولاً واسع النطاق نحو تكنولوجيا أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة. مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية، تظهر مزايا SiC التنافسية في أربعة أبعاد:

كفاءة تحويل طاقة إجمالية أعلى

دعم ترددات تشغيل تحويل أعلى

حجم جهاز إجمالي مصغر

تصميم حراري مبسط ومقاومة حرارية فائقة

لذلك، ستحافظ نسبة انتشار تكنولوجيا SiC MOSFET على نمو ثابت عبر صناعات السيارات والطاقة الجديدة والأتمتة الصناعية وغيرها من القطاعات الرأسية.

　　الأسئلة الشائعة: SiC مقابل IGBT

　　س: ما المزايا التي يتمتع بها SiC على IGBT؟

ج: تتميز ترانزستورات SiC MOSFET بسرعة تبديل أعلى، وفقدان طاقة ديناميكي أقل، ودرجة حرارة تشغيل مسموح بها أعلى، مما يرفع مجتمعة كفاءة الطاقة الإجمالية لنظام تحويل الطاقة.

　　س: هل سيحل SiC محل IGBT بالكامل في المستقبل؟

ج: تحل أجهزة SiC تدريجياً محل وحدات IGBT في السيناريوهات عالية الكفاءة مثل محولات السيارات الكهربائية ومحطات الطاقة الشمسية. ومع ذلك، ستبقى IGBTs مستخدمة على نطاق واسع في المعدات الصناعية العامة الحساسة للتكلفة على المدى الطويل.

　　س: ما هي المزايا الأساسية لـ SiC MOSFET؟

ج: تشمل المزايا الأساسية لـ SiC MOSFETs كفاءة تحويل فائقة، وخصائص تبديل فائقة السرعة، وأداء حراري ممتاز في درجات الحرارة العالية.

　　س: أين يتم نشر محولات SiC على نطاق واسع؟

ج: تُستخدم محولات SiC على نطاق واسع في المركبات الكهربائية، وأنظمة توليد الطاقة الشمسية، ومحركات الدفع الصناعية، ومحولات تحويل الطاقة عالية القدرة المختلفة.