בחינת כיצד סיליקון קרביד משנה מערכות אנרגיה

סיליקון קרביד (SiC) הפך לאבן יסוד לשיפור הנצילות ותמיכה בהפחתת-פחמן בתעשיות שונות. הוא מאפשר למערכות הספקת-כוח מתקדמות, ונותן מענה לדרישות הגוברות בעולם לאנרגיה מתחדשת, רכבים חשמליים (EVs), מרכזי נתונים ותשתיות רשת החשמל. לטכנולוגיית SiC יש יתרונות על פני התקני סיליקון מסורתיים, במיוחד בנצילות המרת ההספק ובמצבים רגישים תרמית. ההשפעה הכוללת שלו בתעשיות האלקטרוניקה והספקת-הכוח יכולה להוביל לרווחיות וקיימות גדולות יותר.

מומחים משתי חברות מוליכים-למחצה מובילות בתעשייה - מייקל וויליאמס, מנהל שיווק לתעשייה ותשתיות ב-Infineon Technologies ושון לוק, מהנדס שיווק טכני ב-DigiKey - חולקים את מחשבותיהם לגבי האופן שבו טכנולוגיית SiC השפיעה על השוק ומה הלאה.

צריכת הספק משתנה

"בעבר, רוב צריכת החשמל הייתה קשורה לסוג כלשהו של בקרת מנוע כגון יישומי אוטומציה תעשייתית ומפעלים, רכבות, משאבות עבור טיפול בשפכים או נוזלים כמו נפט בצינורות", אמר וויליאמס. "עם ההשקה של סיליקון קרביד, חל שינוי בשוק לכיוון של שיפור הנצילות, שאיפשר הפחתה בהפסדי האנרגיה על פני מספר דרגות המרה, תוך תמיכה ביישומים בעלי ביקוש גבוה."

שינוי זה התמקד בהפחתת-פחמן ובפיתוח של דורות חדשים של טכנולוגיה מתחדשת, כולל מערכות אנרגיה מתחדשת, תשתיות EV ומרכזי נתונים. זה גם שיפר את יעילות המרת ההספק מבערך 95% ל-98.5%, שינוי משמעותי שהפחית את הפסדי האנרגיה, הפחית את ייצור החום וצמצם את דרישות הקירור.

תשתית רשת החשמל

העברת הספק פשוטה מרשת החשמל או מקו מתח גבוה למרכז נתונים יכולה לגרום להפסדי הספק של 5-6% כשהוא עובר דרך מספר שכבות של המרה. מרכזי נתונים לבדם מהווים כיום 3% מצריכת האנרגיה העולמית, וצפויים לעלות ל-4% עד 2030 (מגזין Data Centre, 2022), ללא ציפיות להאטה. SiC נכנס לתמונה עבור תשתית הספקת-כוח למרכזי נתונים, ודוחף נצילות ועלות מערכת באחסון אנרגיה בקנה מידה של רשת החשמל ובאינוורטרים סולאריים מרכזיים. הפתרון המשולב מאפשר למרכזי נתונים עתידיים לעבוד בסביבת מיקרו-רשת, ובכך להפחית את העומס על רשת החשמל של ארה"ב שכבר נמצאת תחת עומס כבד.

"עם החשמול של רכבים, אנו רואים תכני ייחוס רבים עם טעינה דו-כיוונית ואלקטרוניקת הספק מתקדמת, כלומר, הם נטענים בזמני שיא ומחזירים את ההספק לרשת בזמני שיא", אמר לוק.

SiC, כטכנולוגיית פער-אנרגיה-רחב (WBG‏), תומך בטיפול במתח גבוה יותר ובמהירות מיתוג מהירות יותר ביישומים כמו טעינת EV‏. זה איפשר שינוי מלא של תשתית הרשת העולמית תוך הפחתת מורכבות המערכת והעלויות הכוללות.

תכנון עם טכנולוגיית SiC

טכנולוגיית SiC נותנת מענה טוב לנצילות, אך יש מקרים שבהם המתכנן צריך מוצר קטן, כלומר כאשר משתמשים בהתקני פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב או סיליקון (Si).

"בדיוק כמו שלמתכנן יש שלוש טכנולוגיות לבחירה, יש להן גם שלושה שיקולי תכנון בסיסיים. האם אני הופך את המוצר שלי ליעיל-וחסכוני; האם אני הופך את המוצר שלי לקומפקטי; או האם אני הופך את המוצר שלי לבעל נצילות גבוהה?" מסביר וויליאמס. "בחירה בכל שניים מסדרי עדיפויות אלו מאפשרת למתכנן לבחור בפתרונות Si. עם זאת, תכנון עבור כל שלושת השיקולים הללו דורש התקני פער-אנרגיה-רחב. המניע העיקרי עבור מוצרים קומפקטיים הוא הגדלת תדר המיתוג כדי להקטין את גודל המגנטיות והקיבוליות במערכת."

הודות ליכולת ה-WBG בטכנולוגיית SiC, רמות המתח יכולות להיות גבוהות יותר, ולאפשר את הדור-הבא של מימוש הטכנולוגיה. האתגר הוא ש-SiC הוא חומר מורכב לעבוד איתו בהתחשב בחומר הבסיס הקשיח יותר משמעותית לעומת סיליקון מסורתי.

מחזורי הספקת-הכוח הם גורם מפתח בפיתוח מארזים, מכיוון שהם מאמצים את החיברורים בין פיסת-הסיליקון של ה-SiC‏ לבין מסגרת המוליכים (Leadframe) או המצע, עם פוטנציאל לכשל התקן קודם-זמנו. פיתוח טכנולוגיות חיברורים חדשות כדי לשפר את ביצועי מחזורי הספקת-הכוח של התקני SiC עתידיים הוא חשוב למתן מענה לדרישות העתידיות של רשת חשמל מופחתת-פחמן.

"יישומים כיום משתמשים במחזורי הספקת-כוח גבוהים בהרבה מאשר יישומי דחיפת מנועים של העבר", אמר וויליאמס. "Infineon‏ התמקדה בפיתוח טכנולוגיית XT‏. שלנו, טכנולוגיית חיברור מתקדמת שהוכחה כמגדילה את ביצועי מחזורי הספקת-הכוח פי 22 לעומת טכניקות הלחמה רכה סטנדרטיות." פיתוח טכנולוגי זה מאפשר צפיפות הספק גבוהה יותר, ביצועים תרמיים משופרים ואורך חיים מקסימלי של המערכת המאפשר את המעבר למקורות אנרגיה מתחדשת."

חידושים בשוק המרת ההספק

תחום אחד שמומחים אלו מתלהבים ממנו הוא הפחתת-פחמן של רשת החשמל, הכרוכה במעבר מתחנות כוח של דלק מאובנים (כמו פחם ונפט).

"הפחתת-פחמן יכולה להתרחש גם ברמת המאקרו עם שינויים שעושות חברות החשמל כדי לעבור לאנרגיית רוח, סולארית ומים, אך גם ברמת הצרכן באמצעות רכבי EV וכדומה", אמר לוק. "מאפשרים כמו SiC עוזרים לנו להתקרב למיקרו-רשתות-יותר חשמל מאי פעם, תוך מיקום מקורות הספקת-הכוח לטובת פחות המרה והפסדים, ומסייעים בהפחתת פחמן".

חידוש נוסף שהם רואים כבעל השפעה חזקה על מגזר הספקת-הכוח הוא מימוש של שנאי מצב-מוצק. אלה יכולים לשפר מאוד את תשתית רשת החשמל, להפחית את הגודל, לקצר את זמן ההתקנה ולפשט את המורכבות הכוללת של אתרי התשתית. פריסת שנאי מצב-מוצק מאפשרת מערכות מודולריות במתח גבוה ופתרונות מיקרו-רשת המובילות לפילוג הספקת-כוח יותר בר-קיימה.

מה הלאה?

עם טכנולוגיה חדשה המתפתחת ללא-הרף, צפויה ל-SiC נוכחות מתמשכת.

"מומחי Infineon צופים כי התקני מיתוג הספק סיליקון ימשיכו לשלוט בשוק למשך שארית העשור", אמר וויליאמס. "יש לנו עמדה ייחודית בשוק בכך שאנו מציעים את כל שלושת טכנולוגיות המיתוג: סיליקון, סיליקון קרביד וגאליום ניטריד, ואיננו רואים איום מהתקני הספק עם פער-אנרגיה-רחב (WBG‏) שיקטינו את גודל השוק הכולל."

חברות כמו Infineon משקיעות בהגדלת הייצור כדי להגדיל את הקיבולת ומפתחות פתרונות המשפרים את נצילות הספקת-הכוח תוך הפחתת העלות של טכנולוגיית SiC. חידושים כמו מיקרו-רשתות-חשמל מודולריות, רשתות DC מבוזרות וראקטורי היתוך נמצאים באופק, עם SiC בבסיס חידושים אלו.

הודות לשותפות האמיצה עם המפיצה העולמית שלה, DigiKey, ופריסה מהירה של טכנולוגיות חדשות באמצעות מודל הפצה ללא מינימום הזמנה ועם זמינות גבוהה, המתכננים ומהנדסים ממוצבים היטב להתמודד עם כל מה שמצפה להם. לפרטים נוספים על פתרונות הספקת-כוח, בקרו ב-DigiKey.com.