مقدمة: يتمتع كل من نتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) بخصائص فيزيائية ممتازة تجعلهما مناسبين لأشباه الموصلات من الجيل الثالث، مما يتيح مجالًا أوسع لتحسين أداء أجهزة إلكترونيات الطاقة. وباعتبارها المكون الأساسي لأشباه الموصلات في أنظمة إمداد الطاقة، فقد ساهمت أجهزة SiC بشكل كبير في تحسين كفاءة الطاقة في مجموعة واسعة من التطبيقات العسكرية والمدنية، مثل المركبات الكهربائية، والسكك الحديدية فائقة السرعة، وربط شبكات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وأنظمة الإمداد بالطاقة غير المنقطعة (UPS)، والطرد الكهرومغناطيسي، وغيرها من المجالات، وأصبحت الخيار المفضل في سوق الطاقة المتجددة.    
           

دردشة قبل البداية

تكمن أهمية أجهزة الطاقة النصفية من الجيل الثالث في زيادة الطاقة، وتحسين الكفاءة، وتقليص الحجم، وهو أمر لا يمكن تجاهله. تولي الدولة اهتمامًا متزايدًا بمجال أشباه الموصلات، وبدأ سوق رأس المال أيضًا في إيلاء هذا الاهتمام. لا سيما في ظل الحرب التجارية الدائرة، حيث بات الجميع أكثر وعيًا بأهمية الإنتاج المحلي لأجهزة الطاقة. وكما هو الحال مع المعدات الضرورية في الألعاب، فإن أجهزة الطاقة عنصر لا غنى عنه في عملية تصنيع المنتجات. وقد برزت اليوم فرق محلية في قطاع أجهزة الطاقة النصفية من الجيل الثالث، وهي فرق نشطة للغاية. ومن بينها، شركة باينجي التي أنتجت أجهزة طاقة من كربيد السيليكون ذات أداء ممتاز.  
دعونا نتحدث بشكل رسمي عن جوانب الأداء الممتاز لـ SiC.  
           

انخفاض قيمة جهاز الطاقة

إن المؤشر المهم لأداء جهاز الطاقة ليس سوى إجمالي فقد الطاقة فيه، والذي يتكون من جزأين. أحدهما هوفقدان التوصيل(فقد التوصيل) واحد هوخسائر التحويل(فقد الطاقة أثناء التبديل). بعبارة أخرى، كلما انخفض فقد الطاقة، زادت الكفاءة، مما يؤدي إلى حجم أصغر وكفاءة أعلى ووزن أخف، وهو ما يناسب احتياجات التطبيقات الحديثة بشكل أفضل. على سبيل المثال، أحد الأسباب الرئيسية التي مكّنت سيارة تسلا موديل 3 من خفض سعرها إلى حوالي 250,000 دولار هو استخدامها لتقنية كربيد السيليكون (SiC)، التي حسّنت أداء البطارية وقللت حجمها ووزنها، وبالتالي خفضت التكاليف الأخرى.

من أجل مساعدة موردي التطبيقات والجهات الرأسمالية على فهم كيفية مقارنة وتقييم أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية ومعاييرها الرئيسية في الصناعة، سنقوم بمقارنة كل منها أفقيًا والتعليق بإيجاز على المزايا والعيوب التقنية لمنتجات أجهزة SiC MOSFET لكل شركة أدناه.  
           

                           派恩杰参数领先

في الجيل القديم من تطبيقات إلكترونيات الطاقة، ونظرًا لانخفاض تردد التبديل، يلعب فقد التوصيل دورًا مهيمنًا. وهو أحد رواد هذه الصناعة وعضو في الأكاديمية الوطنية للعلوم.الأستاذ جايانت ب. باليغا(يشار إليه فيما يلي باسم باشن) في وقت مبكر من عام 1989، تم اقتراح عامل جودة لتقييم فقد التوصيل لأجهزة الطاقة

(انظر [i])، ε حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي لمادة أشباه الموصلات، وμ هو قابلية حركة الإلكترون،E_Cيمثل هذا المجال الكهربائي الناتج عن الانهيار. وفقًا لصيغة باشن، إذا اعتبرنا عامل BFM لمادة السيليكون وحدة واحدة، فإن عامل BFM لمادة كربيد السيليكون (SiC) يساوي 231 وحدة. ما المغزى من ذلك؟ يُظهر هذا أنه عند تصنيع أجهزة طاقة متعددة الطبقات (مثل ترانزستورات MOSFET، وثنائيات شوتكي، وما إلى ذلك) بنفس الجهد العالي، تكون مقاومة التشغيل لمواد كربيد السيليكون أصغر بمقدار 230 مرة! وهذا يعني أن فقد التوصيل في أجهزة كربيد السيليكون أصغر بمقدار 230 مرة من فقد التوصيل في أجهزة السيليكون تحت نفس التيار! يبلغ عامل BFM المُعَيَّر لنيتريد الغاليوم (GaN) بالنسبة للسيليكون 2097، بينما يبلغ لـ Ga2O3 6170! باختصار، تنبأ باشن بهذا الأمر منذ ثمانينيات القرن الماضي.يجب أن يهيمن على مستقبل أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة.!
 

 

الصورة الأولى
 
 

جايانت ب. باليجا   
مع تطور تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة خلال العشرين عامًا الماضية، تبيّن أن زيادة تردد التبديل للمفاتيح يقلل من استخدام المكونات السلبية، مثل المكثفات والمحاثات، في الدائرة، ويخفض حجم النظام ووزنه. مع ذلك، ومع ازدياد تردد النظام، تزداد خسائر التبديل في أجهزة الطاقة بشكل ملحوظ، ويرتفع تبعًا لذلك تكلفة وحجم نظام التبريد المطلوب، مما يجعل تحسين النظام بشكل كبير غير ممكن بمجرد زيادة التردد. وقد ذكر أستاذ آخر شهير...أليكس كيو هوانغفي عام 2004، اقترح عامل جودة يقوم بتقييم شامل لفقدان التوصيل وفقدان التبديل في الجهاز.

(انظر [ii])، حيث R_{س، على}تمثل المقاومة التشغيلية للجهاز، وهي تتناسب مع فقد التوصيل، Q_gdهي الشحنة المخزنة في سعة ميلر بين البوابة والمصرف للجهاز، وتتناسب طرديًا مع فقد التبديل. في الوقت نفسه، نظرًا لأن R_{س، على}تتناسب Q عكسياً مع مساحة الجهاز_gdيتناسب أداء المنتج مع مساحة الجهاز، حيث يعوض تأثير مساحة الجهاز (أو تكلفته)، مما يُظهر مستوى الفقد الإجمالي للجهاز أثناء التشغيل بترددات عالية. بعبارة أخرى، كلما انخفض عامل جودة HDFM، كانت الجودة الإجمالية للجهاز أفضل.كلما قلّت الخسارة، زادت الكفاءة !
 
 

أليكس كيو هوانغ  
باستخدام هذه الطريقة، دعونا نقارن أداء منتجات كبار موردي ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون في السوق:
     

مصنع	انفينيون	القانون الايطالي	كوري	روما	طائر القيق الصنوبري	علامة تجارية محلية
المنشأ	أوروبا	أوروبا	الولايات المتحدة الأمريكية	اليابان	الصين	الصين
منصة التكنولوجيا	خندق الجيل الأول	طائرة من الجيل الثاني	طائرة من الجيل الثالث	خندق الجيل الثالث	طائرة من الجيل الثالث	لا؟ جيل الطائرات
الطرق، على (م؟)	90	60	75	80	80	80
كيو جي دي (NC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
HDFM المعياري	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*البيانات المذكورة أعلاه مأخوذة من ورقة بيانات متاحة للتحميل العام على الإنترنت.

لنبدأ أولاً باستخلاص النتائج من خلال جدول المقارنة هذا.في تقنية MOS المستوية، وبصفتها علامة تجارية محلية، فإن منتجات شركة Pinejie Semiconductor رائدة عالميًا بالفعل، وهي قريبة جدًا من تقنية MOS الخندق ذات العمليات المعقدة!في ظل الظروف المثالية، وفي نفس سيناريو التطبيق، إذا تم استخدام أحدث جهاز CoolSiC من Infineon كمعيار، وكان إجمالي استهلاك الطاقة للجهاز 10 واط على الأقل، فإن استهلاك الطاقة لـ SiC MOSFET من Penjie هو 12.9 واط، واستهلاك الطاقة لمنتجات Kerui هو 18.3 واط، واستهلاك الطاقة لـ STMicroelectronics و Rohm يقارب 21 واط، واستهلاك الطاقة لعلامة تجارية محلية هو 31 واط.

خاتمة

بفضل التحول إلى المركبات الكهربائية، والبنية التحتية الجديدة، وغيرها من المشاريع، ستصبح أجهزة كربيد السيليكون محورًا أساسيًا في التخطيط الاستراتيجي لمحطات الطاقة الكبرى. تتعاون تسلا بشكل كامل مع شركة STMicroelectronics، وتتبنى فولكس فاجن تقنية كوري... وستحصل محطات الطاقة التي تستفيد من أحدث التقنيات وأعلى طاقات إنتاج أجهزة كربيد السيليكون على مزايا استراتيجية لا تُضاهى.

تنويه: هذه المقالة مقتبسة من كتاب "ثلاثة أجيال ونصف من الخيميائيين"، الذي يدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم المؤلف. 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