كيف ستُحسّن أشباه الموصلات لدينا أداء السيارات وغيرها من الصناعات في المستقبل؟ جون بالمور، الرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في شركة وولف سبيد التابعة لشركة كري

تتحول العديد من أنظمة إمداد الطاقة من تقنية السيليكون (Si) إلى تقنية كربيد السيليكون (SiC). ويُعدّ هذا أكبر تغيير تشهده صناعة أشباه موصلات الطاقة منذ تحول أشباه الموصلات ثنائية القطب إلى ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة (IGBT) في ثمانينيات القرن الماضي. وفي الوقت نفسه، تشهد العديد من الصناعات المتأثرة بهذا التحول فترة استثنائية من التحول الشامل. فمن صناعة السيارات إلى الطاقة الشمسية، أصبحت مزايا كربيد السيليكون (SiC) ملحوظة. وفي ظل هذه التغييرات الكبيرة، تبذل جميع الشركات المصنعة الكبرى جهودًا حثيثة لدمج كربيد السيليكون (SiC) بشكل أكبر في تقنياتها الخاصة.

تُعدّ صناعة السيارات مثالاً نموذجياً على التغيرات غير المسبوقة في الصناعة الحديثة. في العقد المقبل، ستنتقل صناعة السيارات من محركات الاحتراق الداخلي إلى الكهربة. ويلعب التحول من السيليكون (Si) إلى كربيد السيليكون (SiC) دوراً هاماً في مساعدة المركبات الكهربائية على تلبية احتياجات المستهلكين، وفي الوقت نفسه، يمكنه الالتزام باللوائح الحكومية المتعلقة بتأثير تغير المناخ. تُساعد حلول كربيد السيليكون (SiC) المركبات الكهربائية على "صعود طابق واحد من الدرج"، وتُحسّن تطبيقات مثل البنية التحتية للشحن السريع، ومحولات الطاقة، وإمدادات الطاقة، وتُعزز تقدم تطبيقات الاتصالات والفضاء.

الشكل 1. موظفو الكري في المختبر

فرصة السيارة الكهربائية

مع تزايد طلب المستهلكين وتشديد اللوائح الحكومية، أعلنت شركات تصنيع السيارات، مثل تيسلا وفورد وفولكس فاجن، عن عزمها استثمار أكثر من 300 مليار دولار في السيارات الكهربائية خلال العقد المقبل. ويتوقع المحللون أن يصل عدد السيارات الكهربائية الخالصة (BEV) إلى 2030% من إجمالي عدد السيارات بحلول عام 15. وبالتالي، سيشهد سوق مكونات كربيد السيليكون (SiC) للسيارات الكهربائية نموًا هائلًا خلال السنوات القليلة المقبلة.

تُعدُّ الكهربة بالغة الأهمية لدرجة أن المُصنِّعين لم يعودوا يتجاهلون مزايا كربيد السيليكون (SiC). فمقارنةً بتقنية السيليكون (Si) المُستخدمة في المركبات الكهربائية التقليدية، يُمكن لكربيد السيليكون (SiC) إطالة عمر البطارية، وتحسين أدائها، وتقصير مدة الشحن. ولذلك، أعلن العديد من المُورِّدين عن تعاونهم مع شركة Cree لتطوير خطط المركبات الكهربائية. على سبيل المثال، تُطوِّر شركة Delphi Technologies نظام عاكس أكثر كفاءةً وأصغر حجمًا وأخف وزنًا باستخدام أشباه موصلات كربيد السيليكون (SiC)، بينما تُطوِّر مجموعة ZF نظام دفع كهربائي بالكامل. وتُطوِّر مجموعة ABB وتُوفِّر أنظمة طاقة مُختلفة باستخدام كربيد السيليكون (SiC).

تحسين كفاءة

إن خسارة التبديل لكربيد السيليكون (SiC) أقل بكثير من خسارة IGBT القائمة على السيليكون (Si). بالإضافة إلى ذلك، لا يحتوي جهاز كربيد السيليكون على جهد مدمج، وخسارة التوصيل منخفضة بشكل واضح. لذلك، يتميز كربيد السيليكون (SiC) بكثافة طاقة أعلى ووزن أخف وتردد تشغيل أعلى. في اختبار سيارة حديث، وبالمقارنة مع السيليكون (Si)، قللت تقنية كربيد السيليكون (SiC) من Cree خسارة العاكس بنحو 78%. في قطاع السيارات، يمكن تطبيق تحسينات الكفاءة هذه على حلول توليد الطاقة، ومحولات الطاقة، والشواحن غير المدمجة والشواحن المدمجة. بالمقارنة مع الحلول التقليدية القائمة على السيليكون (Si)، يمكن لكربيد السيليكون (SiC) تحسين الكفاءة الكلية للسيارات الكهربائية بنسبة 5% إلى 10%. يمكن للمصنعين استخدام هذا لزيادة مدى القيادة أو تقليل استخدام البطاريات الضخمة والباهظة الثمن.

علاوة على ذلك، يُقلل كربيد السيليكون (SiC) من متطلبات التبريد، ويوفر المساحة، كما أن وزنه أخف من وزن البطاريات القائمة على السيليكون. كما يدعم كربيد السيليكون (SiC) أجهزة الشحن السريع، ويمكن حاليًا زيادة عمر البطارية بمقدار 75 ميلًا بعد شحنها لمدة 5 دقائق.

أدى الانخفاض المستمر في تكلفة حلول كربيد السيليكون (SiC) إلى زيادة أخرى في معدل اعتمادها. فإذا أخذنا السيارات كمثال، فإننا نقدر أن قيمة مكونات كربيد السيليكون (SiC) المستخدمة في المركبات الكهربائية تتراوح بين 250 و500 دولار أمريكي (حسب متطلبات الطاقة). ويمكن أن يصل إجمالي التكلفة التي يوفرها مصنعو السيارات من حيث تكلفة البطارية، وحجم ووزن البطاريات والمحولات، ومتطلبات التبريد لكل مركبة كهربائية إلى 2,000 دولار أمريكي. ورغم وجود العديد من العوامل التي تدفع التحول من السيليكون (Si) إلى كربيد السيليكون (SiC)، إلا أن هذا هو العامل الرئيسي.

خارج صناعة السيارات

يُمثل طلب صناعة السيارات حوالي نصف فرص كري من كربيد السيليكون (SiC)، البالغة 9 مليارات دولار، بينما تُعدّ قطاعات الطاقة الشمسية والفضاء والبنية التحتية للاتصالات المحركات الرئيسية للطلبات الأخرى. ووفقًا للتوقعات الأخيرة لشركة كاناكورد جينويتي، سيتجاوز الطلب على كربيد السيليكون (SiC) 2030 مليار دولار أمريكي بحلول عام 20.

الشكل 2. MOSFET 650V من Cree

يمكن لأجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) أن تساعد المؤسسات الصناعية وقطاع الطاقة على تحقيق أقصى استفادة من الكهرباء والمساحة. يمنح كربيد السيليكون (SiC) أنظمة الطاقة الصناعية عالية التردد وأنظمة الطاقة غير المنقطعة كفاءةً أعلى، وكثافة طاقة أعلى، ووزنًا أخف. وتتجاوز فوائد كربيد السيليكون تكلفته بكثير.

في هذه المجالات، تعني الكفاءة العالية أرباحًا أعلى. في مجال إلكترونيات الطاقة، تتفوق كفاءة كربيد السيليكون (SiC) بشكل كبير على كفاءة السيليكون (Si)، وكثافة طاقته ثلاثة أضعاف كثافة السيليكون (Si)، مما يجعل أنظمة الجهد العالي أخف وزنًا وأصغر حجمًا وأكثر كفاءةً وفعاليةً من حيث التكلفة. وقد وصل هذا الأداء الممتاز إلى نقطة تحول هائلة، ولم يعد بإمكان المصنّعين تجاهله إذا أرادوا الحفاظ على قدرتهم التنافسية في السوق الحالية.

مستقبل أشباه الموصلات

تُعدّ التكلفة العائق الرئيسي أمام اعتماد كربيد السيليكون (SiC). ومع ذلك، ومع التحسين المستمر للإنتاج والخبرة، تنخفض تكلفته أيضًا. وبالتالي، أصبح تصنيعه أكثر كفاءة ودقة. والأهم من ذلك، أدرك العملاء أن القيمة الحقيقية لكربيد السيليكون (SiC) تكمن في مستوى النظام، وليس في المقارنة على مستوى الجهاز. ولتلبية احتياجات مختلف الصناعات، سيزداد الترويج لتصنيع كربيد السيليكون (SiC)، وسيستمر الإنتاج في الزيادة، وبالتالي سيستمر سعره في الانخفاض. واستنادًا إلى شركة Cree، قامت Cree باستثمارات واسعة النطاق لتلبية هذه المتطلبات، بما في ذلك بناء مصنع في ولاية نيويورك يعتمد أحدث التقنيات ويلبي معايير لوائح المركبات، مما سيزيد الطاقة الإنتاجية إلى أكثر من 30 ضعفًا عن عام 2017.

لم يعد التحول من السيليكون (Si) إلى كربيد السيليكون (SiC) مسألة وقت أو هل سيحدث. نحن بالفعل في خضمه. من المثير للاهتمام المشاركة الكاملة في التغيرات الهائلة التي تشهدها العديد من الصناعات. لن يبقى مستقبل هذه الصناعات ثابتًا، وسنشهد بالتأكيد تغييرات غير مسبوقة. ومن المؤكد أن المصنّعين القادرين على التكيف بسرعة مع هذه التغييرات سيحصدون نتائج مثمرة.