مع تزايد الطلب في مختلف الصناعات على كفاءة أعلى، وترددات تحويل أعلى، وأداء حراري أفضل، تتطور تكنولوجيا أشباه الموصلات للطاقة بسرعة.

أكثر أجهزة الطاقة استخدامًا اليوم تشمل
ترانزستورات تأثير المجال لأكسيد المعدن وأشباه الموصلات من كربيد السيليكون (SiC MOSFET)
و
وحدات الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT)
غالبًا ما يقارن المهندسون بين SiC وIGBT عند تصميم محولات السيارات الكهربائية، وأنظمة الطاقة الشمسية، ومحركات المحركات الصناعية.

فهم الاختلافات بين هاتين التقنيتين أمر بالغ الأهمية لاختيار حل أشباه الموصلات المناسب.

ستقدم هذه المقالة:

• المبادئ الأساسية لأجهزة SiC MOSFET وIGBT
  

• الاختلافات في الأداء بين SiC وIGBT
  

• مقارنة بين SiC MOSFET وSi MOSFET (Si MOSFET)
  

• المشهد التنافسي العام للمسارات التقنية الثلاثة: IGBT وSiC وGaN
  

• التطبيقات الأساسية مثل أنظمة عاكس SiC
  

ما هو SiC MOSFET؟

SiC MOSFET (ترانزستور تأثير المجال المعدني لأكسيد كربيد السيليكون) هو جهاز يعتمد على
مواد النطاق العريض
أجهزة أشباه الموصلات للطاقة التقنية.

بالمقارنة مع الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون، يتمتع كربيد السيليكون بعدة مزايا:

• جهد انهيار أعلى
  

• سرعة تبديل أسرع
  

• فقدان تبديل أقل
  

• قدرة تحمل أعلى لدرجات حرارة التشغيل
  

بفضل هذه المزايا، يتم استخدام MOSFET SiC بشكل متزايد في
محولات الطاقة عالية الكفاءة
.

تشمل التطبيقات النموذجية:

• محرك عاكس للسيارات الكهربائية
  

• عاكس الطاقة الشمسية
  

• شاحن سريع بالتيار المستمر
  

• محرك صناعي
  

في السنوات الأخيرة، تسارعت وتيرة تطبيق تقنية عاكس SiC بشكل ملحوظ نظرًا لقدرتها على تقليل استهلاك الطاقة وزيادة كفاءة النظام.

ما هو IGBT؟

IGBT（العازل ذو البوابة ثنائي القطب）هو
جهاز شبه موصل قائم على السيليكون
، يجمع بين خصائص التحكم في البوابة لـ MOSFET وخصائص توصيل التيار للترانزستور ثنائي القطب.

لعقود، تم استخدام وحدات IGBT على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات القوية بفضل الميزات التالية:

• قدرة معالجة تيار عالية
  

• عملية تصنيع ناضجة
  

• تكلفة منخفضة نسبيًا
  

لا يزال IGBT مستخدمًا على نطاق واسع في:

• محرك صناعي
  

• أنظمة إمداد الطاقة غير المنقطعة UPS
  

• معدات اللحام
  

• نظام الجر للسكك الحديدية
  

مع تزايد متطلبات كفاءة الطاقة، تنتقل العديد من الأنظمة من وحدات IGBT إلى حلول SiC MOSFET.

SiC مقابل IGBT: الفروق الأساسية

عند مقارنة المهندسين بين SiC وIGBT، يجب التركيز على مؤشرات الأداء التالية:

من أهم المقارنات هي
سرعة التبديل بين IGBT و MOSFET
الأجهزة القائمة على بنية MOSFET (خاصة SiC MOSFET) أسرع بكثير في التبديل من IGBT، مما يؤدي إلى خسائر تبديل أقل وكفاءة أعلى في تحويل الطاقة الكهربائية.

بفضل هذه الميزة، أصبحت أجهزة SiC الخيار الأمثل لأنظمة الطاقة الإلكترونية عالية التردد.

مقارنة SiC MOSFET مع Si MOSFET

مقارنة أخرى يتم مناقشتها غالبًا هي
SiC MOSFET مع السيليكون التقليدي MOSFET
。

السيليكون التقليدي MOSFET يُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات منخفضة الجهد، لكنه يواجه قيودًا واضحة في البيئات عالية الجهد والطاقة العالية.

بفضل خصائص المواد ذات فجوة النطاق العريض، تتميز ترانزستورات SiC MOSFET بخسائر توصيل أقل وأداء حراري أفضل،

وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص لأنظمة الطاقة العالية مثل محولات الجر للسيارات الكهربائية ومحولات الطاقة المتجددة.

IGBT مقابل SiC مقابل GaN

غالبًا ما يدور تطور أشباه الموصلات للطاقة حول
IGBT وSiC وGaN
ثلاثة مسارات تقنية رئيسية. كل تقنية جهاز تتوافق مع نطاقات أداء وتطبيقات مختلفة.

• IGBT
  لا تزال تحتفظ بميزة التكلفة في الأنظمة الصناعية ذات التيار العالي.
  

• كربيد السيليكون
  توفر كفاءة وأداء تبديل أفضل في التطبيقات عالية الطاقة.
  

• نيتريد الغاليوم
  محسّنة للتطبيقات عالية التردد ومنخفضة الجهد.
  

من بين هذه التقنيات الثلاث،
أصبح SiC أسرع مسار نمو في أشباه الموصلات الكهربائية
。

تطبيقات عاكس SiC

الانتشار السريع لتقنية عاكس SiC يعود إلى الطلب الملح على
كفاءة أعلى، كثافة طاقة أعلى
.

السيارات الكهربائية

تتبنى شركات صناعة السيارات بشكل متزايد وحدات طاقة SiC MOSFET لتحسين كفاءة نظام الدفع الكهربائي وزيادة مدى السير.

محولات الطاقة الشمسية

تحقق أنظمة توليد الطاقة الشمسية كفاءة تحويل أعلى بفضل أجهزة SiC، وتقلل من متطلبات أنظمة التبريد.

المحركات الصناعية

تحقق أنظمة التحكم في المحركات الصناعية كفاءة طاقة أعلى من خلال استبدال وحدات IGBT التقليدية بأجهزة SiC.

الشركات الرائدة في تصنيع أشباه الموصلات SiC

تقود العديد من الشركات العالمية تطور تقنية SiC، ومن أبرزها:

• إنفينيون (Infineon)
  

• وولف سبيد (Wolfspeed)
  

• إس تي ميكروإلكترونيكس (STMicroelectronics)
  

على سبيل المثال، عند تقييم وحدات الطاقة عالية الأداء، يركز العديد من المهندسين على حلول SiC IGBT من إنفينيون. تواصل هذه الشركات توسيع إنتاج رقائق SiC وإثراء خط إنتاج وحدات الطاقة لتلبية الطلب المتزايد في السوق.

وحدات طاقة SiC عالية التيار لأنظمة العاكس

في التطبيقات عالية الطاقة مثل أنظمة الجر في السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الصناعية الكبيرة،
وحدة SiC عالية التيار
تزداد أهميتها بشكل ملحوظ.

新一代 SiC 功率模块具备：

• 大电流承载能力
  

• 低导通电阻
  

• 高开关频率
  

• 优异的热性能
  

这些特性使工程师能够设计出
مدمج وفعال
لأنظمة العاكس SiC. وحدات SiC عالية الطاقة مناسبة بشكل خاص لـ:

• محرك عاكس للسيارات الكهربائية
  

• محولات الطاقة المتجددة
  

• محركات صناعية عالية الطاقة
  

اتجاهات مستقبلية لتقنية أشباه الموصلات SiC

صناعة الإلكترونيات القوية تتجه بسرعة نحو
تقنية أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة
التحول. مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية، تتميز SiC بـ:

• كفاءة أعلى
  

• تردد تحويل أعلى
  

• حجم نظام أصغر
  

• إدارة حرارية أفضل
  

لذلك، من المتوقع أن يستمر ارتفاع معدل انتشار تقنية SiC MOSFET في مجالات السيارات والطاقة المتجددة والصناعة وغيرها.

الأسئلة الشائعة: SiC مقابل IGBT

لماذا SiC أفضل من IGBT؟

بالمقارنة مع وحدات IGBT، تتميز SiC MOSFET بسرعة تبديل أعلى، وفقدان تبديل أقل، وقدرة أعلى على تحمل درجات الحرارة، مما يحقق كفاءة نظام أعلى.

هل سيحل SiC محل IGBT؟

في تطبيقات الكفاءة العالية مثل محولات السيارات الكهربائية وتوليد الطاقة الشمسية، تحل أجهزة SiC تدريجياً محل وحدات IGBT. ولكن في التطبيقات الصناعية الحساسة للتكلفة، لا يزال IGBT مستخدماً على نطاق واسع.

ما هي مزايا SiC MOSFET؟

تشمل المزايا الأساسية لـ SiC MOSFET: كفاءة عالية، سرعة تبديل سريعة، أداء حراري ممتاز.

أين تُستخدم محولات SiC؟

تُستخدم محولات SiC على نطاق واسع في السيارات الكهربائية، أنظمة الطاقة الشمسية، محركات القيادة الصناعية، ومحولات الطاقة العالية.