מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב משנים את עולם התחבורה

מאת &lrm;רולף הורן (Rolf Horn)

באדיבות &lrm;DigiKey's North American Editors

2023-03-31

תחום התחבורה כולו עובר טרנספורמציה רדיקלית, כאשר רכבי מנוע בעירה פנימית (ICE) מפנים את מקומם בהדרגה למכוניות חשמליות והיברידיות פחות מזהמות ופתרונות הסעת המונים (רכבות, מטוסים וספינות) נקיים יותר. דרושים פתרונות המסוגלים למקסם את הנצילות ולהפחית את ההשפעה הסביבתית כדי להכיל את פליטות גזי חממה (GHG) ולהפחית את ההתחממות הגלובלית.

מוליכים-למחצה מסוג פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב מציגים מספר מאפיינים ההופכים אותם לאטרקטיביים עבור יישומי תחבורה. השימוש בהם יכול לגרום לרכבים יעילים יותר, מהירים יותר וקלים יותר עם טווח משופר והשפעה סביבתית מופחתת.

המאפיינים של חומרי WBG‏

חומרים עם פער-אנרגיה רחב משנים במהירות את תחום אלקטרוניקת ההספק הודות ליתרונות שלהם על פני הסיליקון (Si) הנפוץ. בעוד לסיליקון יש פער-אנרגיה של 1.1 אלקטרון-וולט (eV), לחומרי WBG יש פער-אנרגיה של eV‏ 2 עד eV‏ 4‏. בנוסף, השדה החשמלי של רוב המוליכים-למחצה WBG גבוה משמעותית מזה של סיליקון. המשמעות היא שהם יכולים לפעול בטמפרטורות ומתחים גבוהים יותר משמעותית, ולספק רמות הספק גבוהות יותר והפסדים נמוכים יותר. טבלה 1 מפרטת את המאפיינים העיקריים של סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN), שני חומרי WBG‏ הנפוצים ביותר, בהשוואה לסיליקון.

מאפיין	Si‏	SiC‏	GaN‏
פער-אנרגיה (eV‏)	1.1	3.2	3.4
שדה חשמלי בפריצה (MV/cm²‏)	0.3	3.5	3.3
ניידות אלקטרונים (cm²/V∙s‏)	1,500	900	2,000‏-900
מהירות רוויה של האלקטרונים (cm/s‏)	^7‏10‏ ∙ 1	^7‏10‏ ∙ 2.2	^7‏10‏ ∙ 2.5
מוליכות תרמית (W/cm∙K‏)	1.5	5.0	1.3
קבוע דיאלקטרי	11.8	10	8.9

טבלה 1: השוואה בין המאפיינים של Si, SiC ו-GaN.

היתרונות העיקריים של התקני הספק SiC‏, בהשוואה למקביליהם מבוססי סיליקון, הם הבאים:

הפסדי מיתוג נמוכים: SiC MOSFETs הם התקנים אוניפולריים המציגים הפסדי הפעלה וכיבוי נמוכים מאוד. תכונה זו מאפשרת תדרי מיתוג גבוהים יותר עם הפסדים נמוכים יותר, ומאפשרת הפחתת רכיבים פסיביים ומגנטיות
הפסדי הולכה נמוכים: בשל היעדר צומת ביפולרי, התקני SiC יכולים גם להפחית את ההפסדים במהלך פעולת עומס קל או עומס חלקי
טמפרטורות פעולה גבוהות: סיליקון קרביד מציע תכונות תרמיות מעולות בהשוואה לסיליקון. SiC מציג זרמי זליגה נמוכים בתחום רחב של טמפרטורות ומאפשר פעולה מעל ל-200°C‏. קירור פשוט וניהול תרמי מעולה הם תוצאה של תכונה זו
דיודת גוף אינטרינזית: הודות למאפיין זה, SiC MOSFETs יכולים לפעול באופן דיודה ברביע השלישי ומספקים ביצועים מצוינים ביישומי הספק

שילוב המאפיינים לעיל מאפשר השגת התקני SiC עם צפיפות הספק, נצילות ותדרי פעולה גבוהים יותר וחתימת-שטח קטנה יותר.

היתרונות העיקריים של התקני הספק GaN‏, בהשוואה למקביליהם Si ו-SiC, הם הבאים:

התקני GaN יכולים לפעול ברביע השלישי ללא מטען התאוששות הפוכה למרות שאין להם דיודת גוף אינטרינזית. כתוצאה מכך אין צורך בדיודה אנטי-מקבילית

מטען שער _G‏Q‏ נמוך והתנגדות מצב-מופעל _((DS(ON‏R‏, המתורגמים ללהפסדי דחיפה נמוכים יותר וקצבי מיתוג מהירים יותר
התאוששות-אחורנית אפס, שתוצאתה היא הפסדי מיתוג נמוכים יותר ופחות רעש EMI‏
dv/dt גבוה: GaN יכול להתמתג בתדרים גבוהים ביותר ויש לו הפעלה מהירה פי 4 וכיבוי מהיר פי 2 לעומת SiC MOSFET עם _(DS(ON‏R‏ דומה

יישומים של התקני WBG

כפי שמודגש באיור 1, ישנם יישומים שבהם SiC ו- GaN מציעים את הביצועים הטובים ביותר ואחרים שבהם המאפיינים שלהם חופפים לאלו של סיליקון. לעתים, התקני GaN הם הבחירה הטובה ביותר עבור יישומי תדר גבוה, בעוד שלהתקני SiC יש פוטנציאל גבוה במתחים גבוהים.

תרשים של יישומים פוטנציאליים של התקני Si, SiC ו-GaN איור 1: יישומים פוטנציאליים של התקני Si, SiC ו-GaN. (מקור: Infineon)

רכבים היברידיים וחשמליים

רכבי H/EV משתמשים במספר מערכות אלקטרוניקת הספק כדי להפוך אנרגיית רשת חשמל או מנוע לצורה המתאימה להנעת המנוע והתקני עזר. רוב רכבי H/EV משתמשים גם בבלימה רגנרטיבית, שבה הגלגלים מסובבים את הגנרטור כדי לטעון את הסוללה.

מהפך הינע הוא מרכיב חיוני ברכבים אלה, הממיר את המתח הגבוה DC מהסוללות ל-AC להפעלת המנוע התלת-פאזי (ראו איור 2). בשל ההספק הגבוה הכרוך, התקני SiC עדיפים ביישום זה, עם דירוג של V‏ 650‏ או kV‏ 1.2‏, בתלות בטופולוגיה של המהפך. SiC מסייע להפחית הפסדים, גודל ומשקל, ומאפשר פתרונות עם גורמי צורה קטנים.

תרשים של רכיבים עיקריים של H/EV‏ איור 2: רכיבים עיקריים של H/EV. (מקור: ROHM Semiconductor)

המטען שבתוך-הרכב (OBC) מתחבר לרשת החשמל, וממיר AC למתח DC כדי לטעון את הסוללה. הספק היציאה של ה-OBC הוא בדרך כלל בין kW‏ 3.3‏ עד kW‏ 22‏ ומסתמך על התקני הספק במתח גבוה (V‏ 600‏ ומעלה). בעוד שגם SiC וגם GaN מתאימים עבור יישום זה, מאפייני GaN, כמו תדר מיתוג גבוהה, הפסדי הולכה נמוכים ומשקל וגודל מופחתים, הופכים אותו לפתרון האידיאלי עבור מימוש OBCs‏.

יישום נוסף של WBG ב-H/EVs הוא ממיר DC-DC במתח נמוך (LV), האחראי להורדת מתח הסוללה (V‏ 200‏ ב-HEVs, מעל V‏ 400‏ ב-EVs) למתח DC‏ V‏ 48‏/V‏ 12‏ הדרוש עבור הפעלת מערכות העזר. עם הספק טיפוסי של פחות מ-kW‏ 1‏, ממיר LV יכול להשיג תדרים גבוהים יותר באמצעות התקני GaN ו-SiC.

טבלה 2 מסכמת כיצד Si, SiC ו- GaN עומדים בדרישות של יישומי H/EVs‏ שהוזכרו קודם לכן.

סוג	מטען בתוך-הרכב	מהפך וממיר HV	ממיר LV
הספק	< kV‏ 3.3‏	kW‏ 12‏ עד kW‏ 400‏	kW‏ 1‏ עד kW‏ 10‏
מתח כניסה	V‏ 120‏ עד V‏ 240‏	V‏ 200‏ עד V‏ 400‏	V‏ 200‏ עד V‏ 400‏
מתח יציאה	V‏ 200‏ עד V‏ 400‏	V‏ 100‏ עד V‏ 650‏	V‏ 12‏ עד V‏ 48‏
נצילות Si‏	%‏85 עד 93%	%‏83 עד 95%	%‏85 עד 90%
נצילות SiC‏	%‏95 עד 96%	%‏96 עד 97%	%‏96 עד 99%
נצילות GaN‏	%‏94 עד 98%	לא זמין	%‏95 עד 99%
התקן הספק	בדיד V‏ 600‏ עד V ‏ 900‏	בדיד/מודול V‏ 600‏ עד V‏ 1,200‏	בדיד V‏ 600‏ עד V ‏ 900‏

טבלה 2: יישומי WBG ב-H/EV והשוואת ביצועים עם Si.

תחבורת רכבות

רכבות חשמליות מושכות הספק מרשת החשמל דרך קו שרשרת או פס שלישי, והופכות אותו לצורה המתאימה עבור המנועים ומערכות העזר. אם הרכבת פועלת על קו AC, שנאי ומיישר חייבים להוריד ולאכשר את המתח ל-DC. לאחר מכן מתח ה-DC מפוצל ומועבר דרך ממירים כדי לתת מענה לצרכים של מערכות העזר וההינע.

מהפך ההינע הופך DC ל-AC להפעלת המנועים ומאכשר את החשמל המיוצר עקב הבלימה הרגנרטיבית. לכן, ממיר זה מתוכנן עבור זרימה דו-כיוונית של אנרגיה. במקום זאת, מהפך העזר מספק כוח עבור מערכות קירור, נוחות הנוסעים וצרכים אחרים שאינם קשורים לתנועה.

גודל אלקטרוניקת ההספק בתוך מהפך ההינע תלוי בסוג הרכבת:

רכבות עירוניות: kV‏ 1.2‏ עד kV‏ 2.5‏
רכבות פרברים: kV‏ 1.7‏ עד kV‏ 3.3‏
רכבות בין-עירוניות: מעל kV‏ 3.3‏

עם זאת, מרבית הרכבות משתמשות ב-kV‏ 3.3‏ או kV‏ 1.7‏.

בלימה רגנרטיבית, המחזירה חלק מהחשמל לרשת המקומית, למערכת פילוג החשמל של הרכבת או לאגירת אנרגיה, הופכת את המערכת למסובכת יותר לעומת אלו שביישומים שצוינו קודם לכן. אנרגיה רגנרטיבית יש לאחסן או להשתמש באופן מיידי; אחרת, היא הולכת לאיבוד.

IGBTs ביפולריים מבוססי SiC ודיודות Freewheeling‏ (= Flyback‏), המשמשים באופן מסורתי במודולי הספקת-כוח עבור יישומי הינע ברכבות, יכולים להיות מוחלפים ב-MOSFETs ודיודות אוניפולריות מבוססי SiC, וכך להגדיל את תדר המיתוג ואת צפיפות ההספק.

את הפסדי ההולכה והמיתוג צריך להקטין, ואת טמפרטורת הצומת המקסימלית צריך להגדיל, כדי להפחית את המשקל והנפח של ציוד אלקטרוניקת ההספק המשמש ביישומי הינע ברכבות. עבור התקני הספק סיליקון ביפולריים שבשימוש נרחב, הגדלת הפסדי ההולכה והקטנת הפסדי המיתוג גורמים להשפעות הפוכות. התקן אוניפולרי אינו נתון לפשרה בין הפסדי ההולכה והמיתוג כמו התקנים ביפולריים. כתוצאה מכך ניתן להקטין את הפסדי המיתוג תוך הקטנה למינימום של הפסדי ההולכה.

את הפסדי ההספק ברכבות חשמליות ניתן להקטין דרסטית עם אלקטרוניקת הספק WBG. כתוצאה מכך, פחות אנרגיה תימשך מהרשת, ויותר אנרגיה תוחזר דרך בלימה רגנרטיבית. התקני WBG מציעים גם יתרונות נוספים המסייעים במידה ניכרת לתחבורת רכבות בנוסף לשיפור הנצילות, כגון:

משקל מופחת משפיע משמעותית על הנצילות
טמפרטורת פעולה גבוהה יותר מאפשרת מערכת קירור קטנה יותר
תדר מיתוג גבוה יותר מאפשר ממדים פסיביים קטנים יותר, המורידים את משקלם של מהפכי ההינע והעזר. המהפך והמנוע יכולים להגיב לשינויים בביקוש מהר יותר הודות לתדר המיתוג הגבוה יותר, ובכך להגדיל את הנצילות. לבסוף, מכיוון שתדר גבוה נשמע פחות וייתכן שמאווררי הקירור יהיו כבויים, תחנות הרכבת תהיינה פחות רועשות כאשר הרכבות נוכחות.

יישומי ספנות ותעופה

חידושי אלקטרוניקת הספק הועילו למגזר הספנות מזה זמן רב. על הספינה מסופק חשמל ברמת מתח AC בינוני מגנרטורים סינכרוניים המופעלים על ידי מנועי דיזל לעומסים שונים. דוחפי הינע (תערובת של ממירי AC-DC ו-DC-AC) ועומסים אחרים הם העיקריים ביניהם.

המגמות האחרונות במגזר הספנות מנסות להחליף את רשתות פילוג חשמל AC ברשתות פילוג DC. פתרון זה מסיר את הצורך לסנכרן את הגנרטורים לפילוג כוח AC, בתנאי שהם יכולים לפעול במהירויות משתנות, ומשיג חיסכון בדלק. מצד שני, הפיתרון דורש הכנסת מעגלי מיישרים (ממירי AC-DC) בין מחוללי AC לבין רשת פילוג DC.

דוחפי הינע בספנות עם מהירות משתנה הם רכיבי ספינות קריטיים החייבים לפעול באמינות גבוהה ביותר. הם מדורגים לעתים מכמה וואט ועד כמה עשרות מגה-וואט. לעתים, דוחפים אלה הם בלוקי המרת הספק המשמעותיים ביותר בספינה עם פילוג חשמל AC. מכאן שהנצילות הגבוהה שלהם היא קריטית.

שוב, התקני הספק מבוססי-סיליקון קונבנציונליים מוחלפים בהתקני SiC ו-GaN, אשר מגדילים את הנצילות תוך הפחתת הגודל והמשקל. התקני WBG יעקפו בקרוב התקנים מבוססי-Si כמובילי התעשייה, ויביאו פתרונות מערכות אלקטרוניקת הספק מתקדמים ביותר שהם בלתי-אפשריים עם טכנולוגיית סיליקון.

גנרטורים חשמליים עתידיים המונעים על ידי טורבינות דלק יהיו המניע העיקרי של מערכות הינע ואוויוניקה היברידיות וכל-חשמליות. אלקטרוניקת הספק תשמש לאחר מכן לחיבור הגנרטור והמנוע. יש צורך באפיקי מתח DC גבוה ביותר כדי להבטיח שהספקת-הכוח תהיה זמינה. אפיקים אלה יכולים להיות בתחום מתחים של כמה קילו-וולט עבור רכבים קלים ועד למגה-וולט עבור מטוסים. יתרה מכך, אפיק מתח DC גבוה מאפשר להשתמש במכונות סינכרוניות עם מגנט קבוע כגנרטורים, המורידות את ההספק הראקטיבי ואת דירוג אלקטרוניקת ההספק. ממירי ההספק זקוקים לציוד שיכול לתפקד בתדרי מיתוג גבוהים בשל מהירות הסיבוב הגבוהה של הגנרטור, שתוצאתה היא רכיבי סינון קטנים וקלים יותר.

סיליקון קרביד הוא התקן מוליך-למחצה המבטיח ביותר העומד בכל הדרישות תוך הבטחת נצילות המרה גבוהה. עבור מטוסים בתחום התחתון של ההספק, התקני SiC MOSFET‏ kV‏ 3.3‏ ו-kV‏ 6.5‏ הם משמעותיים ביותר. ניתן להשתמש בהם גם בטופולוגיות ממירי הספק מודולריים כדי לעמוד בדרישות המתח/הספק הגבוהות יותר של מטוסים גדולים יותר.

סיכום

מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב, כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN), מציעים מספר יתרונות לעומת מוליכים-למחצה מסורתיים ביכולתם להתמודד עם מתחים גבוהים וטמפרטורות גבוהות ועם הפסדי הספק נמוכים יותר. מאפיינים אלה הופכים אותם למתאימים במיוחד עבור אלקטרוניקת הספק המשמשת ביישומים שונים, כולל תחבורה.

מוליכים-למחצה WBG משמשים בתעשיית התחבורה לפיתוח רכבים חשמליים והיברידיים יעילים ואמינים יותר. הפסדי ההספק הנמוכים יותר של מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה רחב מאפשרים תדרי מיתוג גבוהים יותר, ומפחיתים את גודל ומשקל האלקטרוניקה. זה, בתורו, יכול להקנות לרכבים טווח נסיעה גדול יותר, זמני טעינה מהירים יותר ושיפור בביצועים הכוללים.

מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה רחב מאפשרים גם פיתוח של מערכות הינע קומפקטיות ויעילות יותר, כולל דוחפי מנועים וממירים עבור רכבי EV ו-HEV. הודות להקטנת הגודל והמשקל של רכיבים אלו, מתכנני הרכב יכולים לפנות מקום לרכיבים אחרים או לשפר את האווירודינמיקה הכוללת של הרכב.

בנוסף לרכבים חשמליים והיברידיים, מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה רחב משמשים גם בצורות תחבורה אחרות, כגון מטוסים ורכבות. ביישומים אלה, יכולות הטמפרטורה הגבוהה והמתח הגבוה של מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה רחב משפרות את היעילות והאמינות של אלקטרוניקת הספק, תוך הפחתת עלויות הפעולה ושיפור הבטיחות.

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.