בחינת כיצד סיליקון קרביד משנה מערכות אנרגיה

בית » New-Tech Magazine » 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.

תשתיות רשת חשמל

העברת הספק פשוטה מהרשת או מקו מתח גבוה למרכז נתונים יכולה לגרום להפסדי הספק של 5-6% כאשר הוא עובר דרך מספר שכבות של המרה. על פי ההערכות, מרכזי נתונים בלבד מהווים 3% מצריכת האנרגיה העולמית כיום, הצפויה לעלות ל-4% עד 2030 (Data Center Magazine, 2022), ללא תחזית להאטה. ל-SiC יש תפקיד חשוב בתשתית הספקת–הכוח של מרכזי נתונים, והוא דוחף את יעילות ועלות המערכת באחסון אנרגיה ובאינוורטרים מרכזיים סולאריים בסדר–גודל של רשת החשמל. הפתרון המשולב מאפשר למרכזי נתונים עתידיים לעבוד בסביבת מיקרו–רשת–חשמל, ומפחית את העומס על רשת החשמל של ארה“ב שהיא ממילא מאומצת עד הקצה.

“עם החשמול של מכוניות, 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.”

Technicians using digital tablet in computer server room קרדיט: DigiKey

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 מנצלים כעת מחזורי הספקת–הכוח רבים בהרבה לעומת היישומים של הנעת מנועים של העבר“, אמר וויליאמס. “Infineon התמקדה בפיתוח טכנולוגיית ה–XT‏ שלנו, טכנולוגיית חיברורים מתקדמת שהוכחה כמשפרת את ביצועי מחזורי הספקת–כוח מעל לפי 22 לעומת טכניקות הלחמה רכה סטנדרטיות. פיתוח טכנולוגי זה מאפשר צפיפות הספק גבוהה יותר, ביצועים תרמיים משופרים ואורך חיים מקסימלי של המערכת, ומאפשר מעבר למקורות עם יותר 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 החשמל הוא יישום שנאי מצב-מוצק. אלה יכולים לשפר מאוד את תשתית רשת החשמל, להפחית את הגודל והמורכבות הכוללת של אתר השירות ולקצר את זמן ההתקנה. פריסת שנאי מצב-מוצק מאפשרת מערכות מודולריות במתח גבוה ופתרונות מיקרו-רשת-חשמל, התורמים לחלוקת חשמל בת-קיימא יותר.

High voltage transformer substation. Part of a high voltage substation with switches and disconnectors in the rays of the morning winter sun. קרדיט:DigiKey

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 חזקה עם המפיץ העולמי שלה, DigiKey, פריסה מהירה של טכנולוגיות חדשות באמצעות מודל הפצה ללא כמות מינימלית להזמנה וזמינות גבוהה, המתכננים והמהנדסים נמצאים בעמדה טובה לרוץ עם כל מה שבא. לפרטים נוספים על פתרונות הספקת-כוח, בקרו ב-DigiKey.com.