ذات‭ ‬نطاق‭ ‬الفجوة‭ ‬العريضة ‭ ‬Wide Band Gap Power Electronics

د. عبدالله الحربي الهندسة الكهربائية – مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية – السعودية

تُعد إلكترونيات الطاقة (وتعرف كذلك باسم الإلكترونيات الصناعية أو إلكترونيات القدرة أو إلكترونيات القوى) جزءًا أساسيًا من التقنيات الحديثة، وتلعب دورًا مهمًا في تشغيل الأجهزة الإلكترونية، وأنظمة الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، والعديد من التطبيقات الأخرى. وتعتبر أحد أهم مجالات الهندسة الكهربائية؛ حيث تتعامل مع تحويل الطاقة الكهربائية والتحكم فيها وتكييفها. في السنوات الأخيرة، اكتسبت إلكترونيات الطاقة أهمية كبيرة بسبب الطلب المتزايد على الأنظمة الموفرة للطاقة إلى جانب الحاجة إلى الطاقة النظيفة. لقد أصبحت تقنية تمكينية رئيسة لتطوير الأنظمة الموفرة للطاقة، وتعتبر ضرورية لتلبية متطلبات الطاقة المتزايدة لمجتمعنا. حيث نمت أهميتها في الآونة الأخيرة؛ بسبب قدرتها على تقليل استهلاك الطاقة، وزيادة عمر الأجهزة الإلكترونية. 

تلعب الأجهزة الإلكترونية للطاقة دورًا مهمًا في تحويل الطاقة وإدارتها، مثل المقومات والمحولات. تُستخدم هذه الأجهزة لتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر، وطاقة تيار مستمر إلى طاقة تيار متردد، ولتنظيم جهد وتيار الطاقة الكهربائية. بدون هذه الأجهزة، سيكون من الصعب تنظيم الأنظمة الكهربائية والتحكم فيها. هناك عدة أنواع من أجهزة الطاقة الإلكترونية المستخدمة في مختلف التطبيقات. تشمل الأجهزة المستخدمة بشكل شائع الثايرستور، وMOSFET، و IGBT، و ترانزستورات حركة الإلكترون العالية (HEMT)، والصمامات الثنائية. هذه الأجهزة لها خصائص مختلفة، وتستخدم لتطبيقات مختلفة حسب خصائصها. على سبيل المثال، يتم استخدام الثايرستور في التطبيقات عالية الطاقة مثل محركات التيار المتردد، بينما يتم استخدام وحدات الترانزستورات في التطبيقات منخفضة الطاقة مثل محركات التيار المستمر. 

يتطور مجال إلكترونيات الطاقة باستمرارلتلبية المتطلبات المتغيرة للصناعة والطاقة والاتصالات والنقل، حيث تلعب دورًا مهمًا في تطوير السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة والشبكات الذكية. في هذه المقالة سوف نركز على إلكترونيات القوى المعتمدة على أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة WBG وتطبيقاتها خاصة في السيارات الكهربائية. أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة، مثل كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN)، هي مواد جديدة نسبيًا، توفر مزايا كبيرة على الأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون (Si) في العديد من التطبيقات. تحتوي هذه المواد على فجوة نطاق أعلى، مما يعني أنها تتطلب المزيد من الطاقة لإثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. توفر هذه الخاصية العديد من الفوائد في تطبيقات إلكترونيات الطاقة. 

تتمثل إحدى المزايا الرئيسة لإلكترونيات الطاقة في WBG في ارتفاع جهد الانهيار، مما يسمح بتصميم أجهزة طاقة أصغر حجمًا وأخف وزنًا. وهذا بدوره يؤدي إلى كثافة طاقة أعلى وإدارة حرارية أفضل. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي مواد WBG على فجوة نطاق أوسع، مما يتيح لها العمل في درجات حرارة أعلى دون أي خسارة كبيرة في الأداء. من أبرز مزايا أجهزة WBG هي كفاءتها العالية. تتمتع أشباه الموصلات WBG بحركة إلكترون أعلى بكثير، مما يسمح لها بالعمل عند ترددات ودرجات حرارة أعلى بكثير من الأجهزة القائمة علىSi . تُترجم هذه الكفاءة العالية إلى تقليل فقد الطاقة. حيث أظهرت الدراسات الحديثة أن إلكترونيات الطاقة WBG لديها القدرة على تقليل استهلاك الطاقة الإجمالي لأنظمة الطاقة بشكل كبير. وفقًا لدراسة نُشرت في مجلةNature Energy ، يمكن أن يؤدي استخدام أشباه الموصلات WBG في إلكترونيات الطاقة إلى خفض يصل إلى 20٪ في الاستهلاك العالمي للكهرباء بحلول عام 2030. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن أجهزة WBG قادرة على العمل في ترددات أعلى، مما يسمح بتحويل طاقة أكثر كفاءة. 

بشكل عام تمتلك أجهزة WBG مجالًا كهربائيًا حرجًا أعلى من الأجهزة القائمة على Si، فهي تستطيع التعامل مع طفرات الجهد العالي دون الانهيار مما يجعها أكثر موثوقية. تؤدي هذه الموثوقية العالية إلى زيادة عمر الأجهزة، مما يقلل من تكاليف الصيانة والاستبدال لأنظمة الطاقة الإلكترونية. علاوة على ذلك، اكتسبت إلكترونيات الطاقة WBG شعبية في التطبيقات العسكرية نظرًا لقدرتها على العمل في البيئات القاسيـة، مثل البيئات ذات درجات الحرارة العالية والإشعاع العالي. تُستخدم أجهزة WBG في التطبيقات العسكرية مثل إمدادات الطاقة والمحركات، الرادارات وأنظمة توزيع الطاقة. كما يمكن تشغيل أجهزة WBG وإيقاف تشغيلها بسرعات أعلى بكثير من الأجهزة القائمة علىSi ، مما يسمح لها بالعمل على ترددات أعلى. تتيح سرعة التحويل العالية تصميم أنظمة تحويل طاقة أكثر كفاءة، مما يقلل من فقد الطاقة ويحسن أداء النظام.

مقارنة بين نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)

يُعد غاليوم نيتريد وسيليكون كاربيد اثنين من أهم المواد والتطورات التكنولوجية في صناعة إلكترونيات الطاقة في السنوات الأخيرة. تتمتع أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة بخصائص فريدة تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات المختلفة. في هذا الجزء، سوف نستكشف خصائص كل من نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون بمزيد من التفصيل، ومقارنتها بناءً على معايير مختلفة مثل طاقة فجوة النطاق، وحركة الإلكترون، والتوصيل الحراري، والمزيد. من خلال فهم الخصائص الفريدة لكل مادة، يمكننا أن نفهم بشكل أفضل كيف يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة وما هي المواد الأنسب لكل حالة استخدام. بالإضافة إلى ذلك، سنناقش أيضًا أحدث التطورات في تقنية نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، بما في ذلك عمليات التصنيع الجديدة والتطبيقات الناشئة.

الخصائص الكهربائية

عندما يتعلق الأمر بالخصائص الكهربائية، فإن نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون لهما نقاط قوة فريدة خاصة بهما. على سبيل المثال، يمتلك نيتريد الغاليوم جهد انهيار أعلى من كربيد السيليكون، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات الطاقة العالية ودرجات الحرارة العالية. كما تشتهر نتريد الغاليوم بقابليتها العالية للتنقل الإلكتروني، مما يجعلها مرشحًا ممتازًا للاستخدام في تطبيقات تبديل الطاقة عالية التردد. يتمتع الغاليوم أيضًا بحركة إلكترون أعلى من كربيد السيليكون، مما يمكنه الحفاظ على المجالات الكهربائية العالية دون الانهيار. علاوة على ذلك، يحتوي نتريد الغاليوم على ثابت عازل أقل من كربيد السيليكون، مما يؤدي إلى خسائر تحويل أقل وكفاءة أعلى. من ناحية أخرى، يتمتع كربيد السيليكون أيضًا بمزاياه الخاصة، حيث يحتوي على موصلية حرارية أعلى من نتريد الغاليوم مما يجعله مناسبًا لتطبيقات درجات الحرارة العالية. لهذا السبب، غالبًا ما يُستخدم في الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة التي تولد الكثير من الحرارة. باختصار، يتمتع كل من نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون بنقاط قوة فريدة خاصة بهما عندما يتعلق الأمر بالخصائص الكهربائية. بينما يتفوق نتريد الغاليوم في جهد الانهيار وحركة الإلكترون، فإن كربيد السيليكون لها ميزة في التوصيل الحراري. 

التكلفة

تعتبر التكلفة عاملًا مهمًا في تحديد واختيار التقنيات. بشكل عام كلما صغر حجم الأجهزة والدوائر الإلكترونية تقل التكلفة. عادة ما تكون أجهزة ودوائر كبريتيد السيلكون الإلكترونية أصغر من تلك التي تحتوي على نيتريد الغاليوم. ومع ذلك، فإن تكاليف الركيزة والتصنيع لـ كربيد السيليكون أعلى من تلك الخاصة بـ نتريد الغاليوم، وبشكل عام، لا تختلف تكاليف الجهاز النهائية للتطبيقات عند 5 كيلووات وما فوق كثيرًا. على الرغم من ذلك، من المرجح أن تقل تكاليف أجهزة نيتريد الغاليوم الإلكترونية مستقبلاً بسبب بساطة وسهولة تصنيع أجهزة نيتريد الغاليوم، مما يعني أن تكاليف الإنتاج منخفضة بما يكفي للتغلب على حجم القطع الإلكترونية. وكذلك بدء توجه عدد من الشركات استخدام ركائز يصل قطرها إلى مائتين ملمتر لتصنيع أجهزة نيتريد الغاليوم كما في الصورة أدنا مما يقلل تكاليف التصنيع إلى النصف تقريبًا مقارنة بالركائز التي يكون قطرها بحدود المائة وخمسين مليمتر.

التطبيقات

يحتوي كل من نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون على خصائص فريدة تجعلهما مناسبين لتطبيقات مختلفة. نيتريد الغاليوم (GaN)، مادة شبه موصلة، لها فجوة نطاق واسعة، وحركة إلكترون عالية. كثافة الطاقة العالية، وانخفاض المقاومة، وترددات التحويل العالية تجعله مثاليًا للتطبيقات عالية التردد وعالية الطاقة، مثل: إمدادات الطاقة، والمحركات، والمحولات، والاتصالات اللاسلكية، والردارت. من ناحية أخرى، يعتبر كربيد السيليكون (SiC) من أشباه الموصلات المركبة ذات الموصلية الحرارية العالية، والجهد العالي للانهيار، والاستقرار في درجات الحرارة العالية. قدرته على العمل في درجات حرارة عالية، إلى جانب كثافة طاقتها العالية وتردد التبديل، تجعله مثاليًا لتطبيقات درجات الحرارة العالية والطاقة العالية مثل شبكات الطاقة وأنظمة الطاقة المتجددة ومحركات المركبات الكهربائية، حيث يمكنه العمل بكفاءة وتوفير كبير في الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تتم دراسة كل من نتريد الغاليوم وكربيد السيليكون لاستخدامهما المحتمل في إلكترونيات الطاقة من الجيل التالي، بما في ذلك نقل الطاقة اللاسلكي ومحولات الحالة الصلبة وأنظمة تخزين الطاقة.

تطبيقات إلكترونيات الطاقة GaN في المركبات الكهربائية (EVs)

أصبحت السيارات الكهربائية (EVs) أكثر شيوعًا نظرًا لطبيعتها الصديقة للبيئة وكفاءتها في استخدام الطاقة. ومع ذلك، فإن البطاريات المستخدمة في هذه المركبات ذات سعة محدودة، والحاجة إلى إلكترونيات طاقة فعّالة أمر بالغ الأهمية. هنا ظهرت إلكترونيات الطاقة من نيتريد الغاليوم (GaN) كحل واعد لهذه المشكلة. كما ذكرنا سابقًا توفر إلكترونيات الطاقة GaN العديد من المزايا مقارنة بإلكترونيات الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون، بما في ذلك سرعات تحويل أعلى، وخسائر أقل، وكفاءة أعلى. هذه الفوائد تجعل إلكترونيات طاقة GaN خيارًا مثاليًا للاستخدام في السيارات الكهربائية. 

تدخل إلكترونيات الطاقة في عدد من التطبيقات والأجزاء الأساسية للسيارات الكهربائية كما هو موضح في الصورة. أحد التطبيقات الأساسية لإلكترونيات طاقة نتريد الغاليوم في المركبات الكهربائية هو محولDC-DC ، وهو المسؤول عن تحويل طاقة التيار المستمر ذات الجهد العالي من البطارية إلى طاقة التيار المستمر ذات الجهد المنخفض، المطلوبة لتشغيل الأنظمة الكهربائية للمركبة. تطبيق آخر لإلكترونيات الطاقة نتريد الغاليوم في المركبات الكهربائية هو الشواحن الموجودة داخل السيارات الكهربائية؛ حيث تقوم هذه الشواحن بتحويل طاقة التيار المتردد من محطة الشحن إلى طاقة التيار المستمر لشحن بطارية السيارة. يمكن أن تعمل إلكترونيات طاقة نتريد الغاليوم على ترددات أعلى، مما يسمح بشواحن ومحولات DC-DC أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة. مع زيادة الطلب على المركبات الكهربائية، أصبحت إلكترونيات طاقة نتريد الغاليوم مكونًا مهمًا في تطوير مركبات أكثر كفاءة وصديقة للبيئة.

في الختام، الخصائص الكهربائية الفريدة لمواد أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة زادت أهميتها في تطبيقات إلكترونيات الطاقة في مختلف المجالات، بما في ذلك الطاقة المتجددة، والمركبات الكهربائية، والفضاء، والتطبيقات العسكرية، خاصة مع زيادة الطلب على أنظمة تحويل طاقة أكثر كفاءة وموثوقية وأصغر حجمًا. على سبيل المثال، في قطاع الطاقة المتجددة، تُستخدم هذه الأجهزة في أنظمة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح؛ لتحسين الكفاءة وخفض التكاليف وتحمل الظروف القاسية. في السيارات الكهربائية، تُستخدم إلكترونيات الطاقة ذات الفجوة العريضة لتقليل حجم ووزن مجموعة نقل الحركة، وبالتالي زيادة المسافة التي تقطعها السيارة دون الحاجة إلى إعادة شحن. بشكل عام تسهم إلكترونيات الطاقة WBG في الحد بشكل كبير من الاستهلاك العالمي للطاقة، مما يُمكِّنها من لعب دور حاسم في الانتقال إلى مستقبل أكثر استدامة.

مرجع:

• Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, and John Wiley & Sons. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3rd ed., John Wiley & Sons, 2002.
• Daniel W. Hart. Introduction to Power Electronics. Prentice Hall, 2010.
• Muhammad H. Rashid. Power Electronics Handbook. 3rd ed., Elsevier, 2018.
• Bessa, R. J., et al. (2020). Wide bandgap semiconductors in power electronics: A roadmap for power system decarbonization. Nature Energy, 5(9), 690-699.
• https://www.autonews.com/suppliers/canadian-company-offers-crystal-path-better-ev-range
• https://www.eetasia.com/8-inch-gan-on-si-wafers-manufacturing-technology/