أشباه الموصلات الكهربائية تُبشّر بعصر كربيد السيليكون (الجزء الأول)

مقدمة:

في ظل الطلب المتزايد في سوق محطات السيارات والتكافؤ في الأسعار مع السيليكون، ينمو إنتاج كربيد السيليكون (SiC) بسرعة.

استُخدمت آلاف وحدات أشباه الموصلات الكهربائية في المركبات الكهربائية للشحن الداخلي، ومحولات الجر، وتحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر. يُصنع معظمها حاليًا باستخدام ترانزستورات IGBT القائمة على السيليكون. ومع ذلك، فقد أدى التحول إلى ترانزستورات MOSFET القائمة على كربيد السيليكون إلى مضاعفة كثافة الطاقة وتسريع سرعة التحويل في عبوات أصغر وأخف وزنًا.

تزداد متطلبات الجهد العالي والتشغيل في البيئات الحارة والقاسية صعوبةً على المركبات الكهربائية ومحطات الشحن. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكاليف تصنيع وتغليف المواد ذات فجوة النطاق العريض، سيستغرق كربيد السيليكون (SiC) بعض الوقت ليترسخ. ومع ذلك، فإن هذا الوضع آخذ في التغير. صرّح فيكتور فيلاديس، المدير التنفيذي ورئيس قسم التكنولوجيا في شركة باور أمريكا، بأن أسعار وحدات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون أصبحت الآن مماثلة لأسعار الوحدات المصنوعة من السيليكون، مما يعزز بدوره شراكات التوريد وبناء مصانع جديدة لكرد السيليكون.

لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين إنجازه. تحتاج تقنية رقاقة كربيد السيليكون (SiC) إلى التطوير. يتطلب تصنيع هذه الأجهزة استخدام 20% من أدوات المعالجة الجديدة و80% من الأدوات المُحسّنة. هدفنا هو تسريع وتيرة إنتاج أجهزة الطاقة المتكاملة والمُنفصلة، ولذلك يتجه مُصنّعو السيارات إلى التعاون المباشر مع مصانع السبائك لإنتاج الرقاقات والوحدات.

سوق وتكنولوجيا الطاقة المصنوعة من SiC وGaN

بحلول عام 2030، سيُنتج العالم 39 مليون مركبة كهربائية نقية، وهو ما يُعادل معدل نمو سنوي مُركّب قدره 22% بين عامي 2022 و2030. وهذا بدوره يُحفّز سوق أشباه موصلات الطاقة، حيث من المتوقع استخدام ما يقارب 50% من أجهزة السيليكون، و35% من أجهزة كربيد السيليكون، و12% من أجهزة نيتريد الغاليوم في السوق حتى عام 2030. في المركبات الكهربائية، تُحوّل مُحوّلات الجرّ طاقة التيار المستمر من حزمة البطاريات إلى طاقة تيار مُتردد لتوفير الطاقة اللازمة لتشغيل المحركات الأمامية والخلفية. كما يُمكن لكربيد السيليكون تسريع شحن الأنظمة الداخلية والخارجية، ونقل الطاقة من الشبكة الكهربائية إلى المركبات الكهربائية.

الأهم من ذلك، تُشكل وحدات SiC حجر الأساس في عملية الانتقال من بطاريات 400 فولت إلى بطاريات 800 فولت. فعندما تكون سرعات الشحن أسرع، ومسافات القيادة كافية، وتكون تكلفة حزمة البطارية لكل مركبة أقل من 10,000 دولار أمريكي، سيعتمد المستهلكون على المركبات الكهربائية بشكل أسرع.

وصلت وحدات كربيد السيليكون (SiC) إلى مرحلة حاسمة، حيث أصبحت تُنافس من حيث التكلفة حلول الطاقة القائمة على السيليكون، مع تحقيق كفاءة أعلى وأنظمة أكثر إحكامًا. إلى جانب توسيع نطاق بطاريات 800 فولت من بطاريات 400 فولت المستخدمة حاليًا (والتي تحتوي على أجهزة 600 فولت أو 650 فولت)، يجري تحفيز الإنتاج الضخم لأجهزة كربيد السيليكون (SiC) بجهد 1,200 فولت. ومع ذلك، لا تزال تغييرات سلسلة التوريد مستمرة، مثل تأثير عيوب بلورات الرقاقة على الإنتاجية، والخسائر في تغليف الأجهزة ودمج الوحدات، وتوثيق الروابط بين مصنعي السيارات ومصنعي أنظمة الطاقة. من الناحية العملية، سيستغرق الأمر بعض الوقت حتى تصل رقائق كربيد السيليكون الجديدة وطاقة تصنيع الرقاقات إلى مرحلة الإنتاج الضخم.

مع ذلك، لم يُثبِّط هذا حماس الناس لهذه التقنية. ويواصل المحللون رفع توقعاتهم لسوق كربيد السيليكون (SiC). وتتوقع مجموعة يول أن يصل سوق أشباه موصلات الطاقة إلى 6.3 مليار دولار بحلول عام 2027، منها 70% مخصصة لتطبيقات السيارات. وبالنظر إلى إنتاج رقائق كربيد السيليكون فقط (بدءًا من رقائق كربيد السيليكون)، تتوقع شركة TECHCET معدل نمو سنوي مركب قدره 14% بين عامي 2022 و2027.