يُظهر تقرير أبحاث السوق الصادر عن شركة Yole Development أنه منذ ظهور أجهزة أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون، كانت متطلبات التطبيق تدفع درجة حرارة الوصلة إلى الارتفاع، والتي وصلت الآن إلى 150 درجة مئوية.

مع ظهور أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة من الجيل الثالث (مثل SiC) ونضجها المتزايد وتسويقها الكامل، فإن مقاومتها الفريدة لدرجات الحرارة العالية تعمل على تسريع درجة حرارة الوصلة من 150 درجة مئوية حاليًا إلى 175 درجة مئوية، وستصل إلى 200 درجة مئوية في المستقبل.

بفضل خصائص السيليكون كاربايد الفريدة في تحمل درجات الحرارة العالية ومزاياه في انخفاض فقد الطاقة أثناء التبديل، سيُحدث هذا التوجه نحو زيادة درجة حرارة الوصلة تغييرًا جذريًا في تصميم أنظمة الطاقة. تشمل هذه التطبيقات النموذجية المستقبلية ذات درجات الحرارة العالية وكثافة الطاقة العالية أنظمة نقل الحركة المتكاملة في المركبات الكهربائية، والطائرات متعددة المحركات الكهربائية والطائرات الكهربائية بالكامل، وحتى الطائرات الكهربائية بالكامل، ومحطات شحن وتخزين الطاقة المتنقلة، وبطاريات الطاقة، بالإضافة إلى تطبيقات الطاقة المختلفة التي يكون فيها التبريد السائل محدودًا للغاية.

تطورت منظومة نقل الحركة في المركبات الكهربائية (المحرك، ووحدة التحكم الإلكترونية، وعلبة التروس) نحو التكامل الثلاثي، إلا أنها حاليًا مُجمّعة هيكليًا فقط، ما يُضعف تكاملها. ومن الناحية الهيكلية، يُعدّ التكامل العميق لمنظومة نقل الحركة في المستقبل مسارًا حتميًا، إذ يُمكن أن يُقلّل ذلك من حجمها ووزنها واستهلاكها للطاقة بنحو الثلث، ويُخفّض التكلفة الإجمالية من مرتين إلى أربع مرات.

مع ذلك، سيتم دمج جزء التحكم الإلكتروني بشكل وثيق مع المحرك، وسيؤدي هذا التكامل العميق إلى زيادة كثافة الطاقة بشكل كبير. وتُعدّ درجة الحرارة المرتفعة التحدي الأكبر الذي لا يمكن تجنبه.

تطبيقات نموذجية ذات درجات حرارة عالية

في الطائرات التقليدية، تُتحكم الحركات الميكانيكية، كالدفة الخلفية والأجنحة وعجلات الهبوط، بواسطة نظام نقل هيدروليكي تقليدي. ونظرًا لكون الزيت الهيدروليكي سائلًا، فإنه يتأثر بشدة بالبيئة، كما أن تكاليف صيانته مرتفعة. حاليًا، يتجه التوجه نحو استخدام الطاقة الكهربائية جزئيًا أو كليًا، وهو ما يُعرف بمفهوم الطائرات متعددة المحركات الكهربائية والطائرات الكهربائية بالكامل.

يتميز استخدام المحركات الكهربائية بدلاً من دوائر الزيت الهيدروليكية في الطائرات لتحقيق التشغيل الميكانيكي بموثوقية عالية، وسهولة صيانة فائقة، ويسهل تصميم أنظمة احتياطية متعددة. مع ذلك، تكمن المعضلة الأكبر في عدم إمكانية تزويد المحركات وأنظمة التحكم الإلكترونية في الطائرات بنظام تبريد مائي، مما يضطرها للاعتماد فقط على التبريد القسري بالهواء والتبريد الطبيعي. لذا، ولتحقيق تصميم أنظمة التحكم الإلكترونية للطائرات متعددة المحركات الكهربائية أو الطائرات الكهربائية بالكامل، أو حتى الطائرات الكهربائية بالكامل، فإن المشكلة التقنية الرئيسية التي يجب حلها أولاً هي مشكلة ارتفاع درجة الحرارة.

بالإضافة إلى ذلك، في العديد من سيناريوهات التطبيق، ستسد محطات شحن تخزين الطاقة شبه المتنقلة وبنك الطاقة المتنقل بالكامل الفجوة في الشحن الثابت بشكل فعال، وخاصة مع الانتشار الواسع النطاق للمركبات الكهربائية، سيصبح هذا الأمر أكثر وضوحًا.

مع ذلك، بالنسبة لهذا النوع من تطبيقات شحن الهواتف المحمولة، لن تُضيف آلية التبريد المائي أعباءً إضافية من حيث الوزن والحجم فحسب، بل والأهم من ذلك، أنها ستستهلك الطاقة الكهربائية المخزنة فيها. لذا، يُعد التبريد الطبيعي الخيار الأمثل للتحكم الإلكتروني، ولكن يجب معالجة مسألة الإدارة الحرارية لنظام التحكم الإلكتروني بشكل سليم.

إضافةً إلى التطبيقات الثلاثة النموذجية المذكورة أعلاه التي تتطلب درجات حرارة عالية، فإن أنظمة التحكم الإلكترونية في العديد من التطبيقات الصناعية الخاصة التي تعاني من محدودية التبريد السائل، ستواجه تحديات مماثلة تتعلق بدرجات الحرارة العالية. وتُعدّ تقنية التحكم الكهربائي في درجات الحرارة العالية مفتاحًا لتحقيق هذه التطبيقات. وتتمثل تقنية التنفيذ الأساسية في تقنية التغليف الحراري لأجهزة طاقة كربيد السيليكون، وتقنية دوائر القيادة الحرارية المتوافقة معها.

"عبقري" SiC

تتميز مواد كربيد السيليكون (SiC) وهياكل أجهزتها بمقاومة عالية للحرارة، حيث يمكنها تحمل درجات حرارة تتراوح بين 400 و600 درجة مئوية في ظروف الفراغ. في التطبيقات العملية، ولتجنب الأكسدة الناتجة عن ملامسة الهواء، يجب تغليف أجهزة كربيد السيليكون، وإذا ما أُريد لها تحمل درجات الحرارة العالية، فيجب تغليفها في عبوات مقاومة للحرارة العالية.

تُعدّ درجة حرارة الوصلة البالغة 150 درجة مئوية حاليًا أعلى معيار في الصناعة. وقد بدأ الكشف مؤخرًا عن مستوى درجة حرارة الوصلة البالغ 175 درجة مئوية. تتوفر عبوات شبه قياسية يمكن استخدامها. أما العبوات التي تصل درجة حرارتها إلى 200 درجة مئوية أو أعلى، فتخضع لمتطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بمواد وعمليات التغليف، ويجب تخصيصها وفقًا لخصائص الشريحة الأساسية لضمان التوصيل الحراري وتبديد الحرارة بكفاءة.

لا ينفصل استخدام أجهزة ووحدات طاقة كربيد السيليكون عن دوائر التشغيل ورقائقها. مع ذلك، فإن معظم رقائق دوائر التشغيل هي أجهزة سيليكون عادية لا تتحمل درجات الحرارة العالية. وإذا استطاعت العمل في درجات حرارة عالية تصل إلى 175 درجة مئوية لمدة 1,000 ساعة، فهذا نادر الحدوث.

إضافةً إلى ذلك، تُعدّ مقاومة درجات الحرارة العالية جانبًا واحدًا فقط من المشكلة. فالأخطر من ذلك هو ثبات أداء الجهاز عند درجات الحرارة المرتفعة. إذ يضعف أداء أجهزة السيليكون العادية بسرعة كبيرة عند تجاوز 70 درجة مئوية، لذا لا يمكن استخدامها في درجات الحرارة المرتفعة.

بعد أكثر من عشرين عامًا من البحث والتطوير المبتكر واختبار التطبيقات، حققت أجهزة السيليكون الخاصة بتقنية SOI من Cissoid مقاومة فائقة لدرجات الحرارة العالية. فهي قادرة على العمل بشكل متواصل لمدة 15 عامًا عند درجة حرارة 175 درجة مئوية، وتتميز بأداء ثابت ممتاز عبر نطاق درجات الحرارة بأكمله. تُعد هذه الأجهزة الركائز الأساسية التي تدعم تطبيقات كربيد السيليكون (SiC) في درجات الحرارة العالية.

تجاوز معضلة "درجة الحرارة"

تُقدّم تقنية أشباه الموصلات السيليكونية الخاصة من Cissoid، القائمة على تقنية SOI، حلاً جذرياً لمعضلة درجة الحرارة في أجهزة أشباه الموصلات السيليكونية، متجنبةً بذلك تأثيرَي درجة حرارة حاملات الشحنة (حيث يزداد تركيز حاملات الشحنة الذاتية مع ارتفاع درجة الحرارة) ودرجة حرارة الوصلة (حيث يقل حاجز الوصلة الفعال مع ارتفاع درجة الحرارة). فهي لا تقتصر على تحمّل درجات الحرارة العالية والعمل لفترات طويلة فحسب، بل تحافظ أيضاً على أداء ثابت وممتاز عبر نطاق درجات الحرارة بأكمله.

ونتيجة لذلك، لطالما حظيت أجهزة أشباه الموصلات عالية الحرارة من شركة Cissoid بتفضيل مجالات الطيران والفضاء واستكشاف النفط، ولديها ما يقرب من 20 عامًا من تاريخ وخبرة تطبيقات درجات الحرارة العالية.

في السنوات الأخيرة، ومع انتشار أجهزة الطاقة المصنوعة من أشباه الموصلات من الجيل الثالث من كربيد السيليكون، طورت شركة سيسويد رقائق وحلولاً لتشغيل ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون، تتميز بمقاومتها العالية للحرارة. تتيح هذه المقاومة الفريدة وضع الرقاقة بالقرب من وحدة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون قدر الإمكان، مما يقلل من الحث الطفيلي لدائرة التشغيل، وبالتالي يقلل من ظاهرة الرنين ويحقق كفاءة مثالية.

أطلقت شركة سيسويد مؤخراً، لتطبيقات محركات الطاقة الكهربائية في المركبات الكهربائية والطائرات الكهربائية بالكامل/متعددة المحركات الكهربائية، نظام وحدة الطاقة الذكية (IPM) ثلاثي الأطوار كامل الجسر بجهد 1200 فولت من نوع SiC MOSFET، وهو عبارة عن سلسلة منصات قابلة للتطوير. يستخدم هذا النظام تقنية فقد الطاقة المنخفض أثناء التبديل لتوفير حل متكامل، وهو وحدة الطاقة الذكية (IPM).

تتكون وحدة إدارة الطاقة المتكاملة (IPM) من دائرة تشغيل البوابة ووحدة طاقة ثلاثية الأطوار مصنوعة من كربيد السيليكون. وقد تم تحسين وتنسيق التعاون بين الجزأين للاستفادة الكاملة من مزايا أجهزة كربيد السيليكون.

تتميز وحدة CXT-PLA3SA12450AA المُنتجة حاليًا بدرجة حرارة تشغيل تصل إلى 175 درجة مئوية، ويمكن لدائرة تشغيل البوابة العمل في بيئة تصل درجة حرارتها إلى 125 درجة مئوية. إضافةً إلى ذلك، وحسب متطلبات التطبيق، يمكن تحسين مستوى درجة حرارة التشغيل بشكل أكبر عن طريق استبدال المكونات السلبية ذات المستوى الأعلى وتحسين تغليف الرقائق والوحدات الرئيسية.

منذ ظهور أجهزة أشباه الموصلات السيليكونية، كانت التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية هي المفتاح لتطبيقاتها.

لقد حققت تقنية رقائق السيليكون SOI الخاصة والمبتكرة من Cissoid إنجازات كبيرة في مجال الأجهزة المنفصلة لأشباه الموصلات ذات درجة الحرارة العالية والدوائر المتكاملة صغيرة الحجم.

مع ازدياد نضج وانتشار أشباه الموصلات من الجيل الثالث مثل أجهزة أشباه الموصلات SiC للطاقة، فإن مقاومتها المتأصلة لدرجات الحرارة العالية وأجهزة أشباه الموصلات Cissoid عالية الحرارة تشكل توافقًا جيدًا للغاية، مما سيغير بشكل كبير نمط تصميم أنظمة الطاقة ويوفر لمهندسي التصميم مجالًا جديدًا للتوسع.

ملاحظة: هذه المقالة مأخوذة من الإنترنت وتدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة نشرها. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن