- ظهور GaN كخيار للمواد لأشباه موصلات الطاقة اللاسلكية
- التحديات المحتملة التي تحد من اتساع أشباه موصلات الطاقة اللاسلكية في المركبات الكهربائية والمركبات ذات الجهد العالي
- تجذب تحديات التغليف الانتباه
- مستقبل أفضل لمجموعة البنك الدولي - هل هناك أي مستقبل؟
- ما الذي تخطط له الشركات العملاقة في الصناعة
- تزايد الطلب على أشباه موصلات الطاقة الراديوية في منطقة آسيا والمحيط الهادئ
على الرغم من أن العدد المتزايد باستمرار لعمليات طرح شبكات الجيل الخامس وتزايد مبيعات الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية سيخلق في الغالب بيئة مواتية لنمو الطلب على أشباه موصلات الطاقة اللاسلكية ، إلا أن صناعة السيارات تظل أيضًا من بين المجالات الاستهلاكية الرئيسية لوحدات الطاقة اللاسلكية.
تشهد صناعة السيارات حاليًا ثورة كهربائية ورقمية ديناميكية. يخضع عدد متزايد من المركبات للكهرباء والاستقلالية وجاهزة للاتصال. كل هذا يتلخص في الأهمية المتزايدة لكفاءة الطاقة وسوف يسرع تحول صناعة السيارات من خلال المنوع. ومع ذلك ، فإن أحد الجوانب المهمة التي ستظل حاسمة لتحقيق هذا التحول هو أشباه موصلات الطاقة اللاسلكية ، حيث لعبت دورًا محوريًا في تمكين المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة (HEVs).
بالمشاركة في تحول "الانبعاثات الصفرية" في الصناعة ، تبذل شركات صناعة السيارات الرائدة في العالم جهودًا ملحوظة في تكثيف مشاريع كهربة سياراتهم. تشير التوقعات المدفوعة بالبحوث إلى أن غالبية مصنعي المعدات الأصلية يتطلعون بشكل بارز إلى أهداف المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية التي يجب تحقيقها في عام 2025. ويحفز هذا السيناريو بوضوح على الفرص الكبيرة لأشباه موصلات الطاقة اللاسلكية عالية الكفاءة التي ستعمل بفعالية في درجات حرارة مرتفعة. وبالتالي ، يركز مصنعو وحدات طاقة التردد اللاسلكي باستمرار استراتيجياتهم على تطوير المنتجات القائمة على تقنيات SiC (كربيد السيليكون) و GaN (نيتريد الغاليوم) و WBG (فجوة النطاق العريض).
ظهور GaN كخيار للمواد لأشباه موصلات الطاقة اللاسلكية
على الرغم من عدد من جهود البحث والتطوير السائدة في مجال أشباه الموصلات في WBG ، ظل متغير SiC هو الخيار التقليدي للمركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية عالية الجهد ، خلال الماضي القريب. ومع ذلك ، من ناحية أخرى ، وصلت SiC بالفعل إلى مرحلة النضج في السوق وتواجه تحديات من قبل التقنيات المنافسة الأخرى التي تكتسب مكانة كبيرة عليها - لا سيما في حالة إلكترونيات الطاقة والتطبيقات الأخرى المتطلبة في السيارات الكهربائية والهجينة.
بينما تستخدم EVs و HEVs عادةً أشباه موصلات طاقة RF القائمة على SiC لتنظيم محولات DC / DC في مجموعة نقل الحركة ، يميل وقت الانتقال إلى تقييد ترددات التحويل بين 10 كيلو هرتز و 100 كيلو هرتز. في الوقت الحالي ، يبذل كل صانع سيارات تقريبًا في جميع أنحاء العالم جهودًا مبتكرة حول تصميمات GaN لأشباه موصلات طاقة التردد اللاسلكي.
كان تقديم أشباه الموصلات GaN يحمل وعدًا بالتغلب على هذا التحدي طويل الأمد من خلال تمكين وقت التبديل ضمن نطاق النانو ثانية والتشغيل في درجات حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية. تؤدي الوظيفة الأسرع لأشباه الموصلات GaN إلى ارتفاع تردد التبديل وبالتالي انخفاض فقدان التبديل. علاوة على ذلك ، يُترجم الحجم الإلكتروني ذو الطاقة المنخفضة إلى وزن إجمالي منخفض ، مما يدعم لاحقًا الاقتصاد الخفيف الوزن والكفاءة.
تؤيد العديد من الدراسات الإمكانات الفعلية لأشباه الموصلات القائمة على الجاليوم من أجل تحويل الطاقة العالية بسرعة عالية. الانتقال إلى حقبة جديدة من إلكترونيات الطاقة التي من شأنها أن تكمل بشكل أفضل هدف المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية ، والسمات الرئيسية لمواد أشباه الموصلات من الجاليوم ، مثل سرعة التحويل الفائقة ، ودرجات حرارة التشغيل العالية ، وفقد أقل في التبديل والتوصيل ، والتعبئة صغيرة الحجم ، والتكلفة المحتملة التنافسية ، ستواصل وضع أشباه الموصلات RF القائمة على GaN على جميع النظائر الأخرى.
التحديات المحتملة التي تحد من اتساع أشباه موصلات الطاقة اللاسلكية في المركبات الكهربائية والمركبات ذات الجهد العالي
على الرغم من جميع الابتكارات والنتائج الإيجابية التي دخلت الأسواق ، لا تزال هناك بعض التحديات كعوائق أمام وظائف أشباه موصلات الطاقة اللاسلكية في السيارات الكهربائية. بعد كل شيء ، فإن قيادة مكون عالي الطاقة في غضون نانوثانية هو عمل روتيني معقد ويأتي مع العديد من الصعوبات التي لم يتم حلها بعد. أحد أبرز التحديات هو تحسين معدلات الجهد. يعد تعزيز قابلية التشغيل الفعالة في درجات حرارة أعلى دون تغيير التصميمات التقليدية تحديًا مهمًا آخر يستمر في جذب اهتمامات البحث والتطوير في مساحة أشباه الموصلات اللاسلكية.
تبرز الحقيقة مرارًا وتكرارًا أن تطبيقات وحدات الطاقة الإلكترونية في المركبات الكهربائية والمركبات ذات الجهد العالي تتطلب طلبًا كبيرًا وأن أداؤها لا يعتمد فقط على الابتكارات القائمة على الجهد والأداء. يضمن الدفع المستمر من حيث التحسينات الهيكلية وتقنية التصميم التحمل والموثوقية والمقاومة الحرارية لأجهزة التردد اللاسلكي داخل المركبات الكهربائية الهجينة والنقية / التي تعمل بالبطارية.
تجذب تحديات التغليف الانتباه
في حين أن تشويه الأجزاء الإلكترونية المحيطة كان عاملاً آخر يتحدى ملاءمة أجهزة أشباه الموصلات RF داخل تصميمات EV ، فقد ظهرت عبوات أشباه الموصلات EMC (مركب قولبة الإيبوكسي) كمجال بحث مربح للغاية ، حيث أنها تسمح بالتشغيل دون إزعاج المكونات الإلكترونية المجاورة.
علاوة على ذلك ، على الرغم من أن وحدات طاقة التردد اللاسلكي المفرطة في التشبع يُنظر إليها بالفعل على أنها الاتجاه السائد في المستقبل القريب ، لا يزال لدى التصميمات مجال للتحسين من حيث الإدارة الحرارية. وبالتالي ، فإن الشركات الرائدة في مجال أشباه الموصلات اللاسلكية تؤكد على توسيع جهودها المتعلقة بالتغليف لتحقيق موثوقية محسنة للاستخدام في السيارات الكهربائية.
مستقبل أفضل لمجموعة البنك الدولي - هل هناك أي مستقبل؟
في خلفية نضج SiC وتفوق GaN المثبت ، يفشل السوق مع ذلك في حل مخاوف الموثوقية المرتبطة بـ WBG ، والتي تحد في النهاية من اختراق السوق لأشباه الموصلات من نوع WBG على المدى الطويل. تكمن الطريقة الوحيدة لتحقيق هندسة أشباه موصلات أكثر قوة من نوع WBG في فهم أعمق لآليات فشلها في ظروف التشغيل القاسية. يرى الخبراء أيضًا أن مجموعة البنك الدولي قد تصل إلى مرحلة النضج في السوق دون أي دعم استراتيجي ملموس من شأنه أن يعيد موثوقيتها لمزيد من الاستخدام.
ما الذي تخطط له الشركات العملاقة في الصناعة
أطلقت شركة Wolfspeed ، وهي شركة Cree Inc. ومقرها الولايات المتحدة والمتخصصة في منتجات الطاقة المتميزة SiC و GaN RF ، مؤخرًا منتجًا جديدًا يحقق خفضًا بنسبة 75٪ في خسائر العاكس لمجموعة نقل الحركة الكهربائية. مع هذه الكفاءة المحسّنة ، من المرجح أن يكتشف المهندسون معلمات جديدة للابتكار من حيث استخدام البطارية والمدى والتصميم والإدارة الحرارية والتعبئة والتغليف.
تولد الدوائر عالية الجهد للعاكسات في السيارات الكهربائية والهجينة الكثير من الحرارة وتحتاج هذه المشكلة إلى المعالجة بآلية تبريد فعالة. أوصت الأبحاث مرارًا وتكرارًا بأن تقليل حجم ووزن العاكسات هو المفتاح لتحقيق تبريد مُحسَّن لمكونات السيارات في المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية.
على نفس المنوال ، فإن غالبية القادة في الصناعة (هيتاشي ، المحدودة ، على سبيل المثال) لا يزالون يركزون على كتلة العاكس وحجمه بمساعدة تقنية التبريد المزدوجة التي تستخدم إما سائلًا أو هواءًا لتبريد الدرجة المطلوبة مباشرةً. وحدة الطاقة RF الجهد. تتيح هذه الآلية أيضًا إضافة إلى الاكتناز والمرونة للتصميم الكلي وبالتالي ، إلى الجهود المبذولة للحد من خسائر توليد الطاقة.
وبالنظر إلى أهمية التصميم المدمج لزيادة قابلية تطبيق أشباه الموصلات ذات الطاقة اللاسلكية في السيارات الكهربائية ، تبرز أمثال عاكس SiC الصغير للغاية من ميتسوبيشي كرائد. لقد طورت شركة Mitsubishi Electric بشكل خاص منتج طاقة التردد اللاسلكي هذا فائق الصغر للمركبات الكهربائية الهجينة وتزعم أنه أصغر جهاز SiC من نوعه في العالم. يستهلك حجم العبوة المنخفض لهذا الجهاز مساحة أقل بشكل ملحوظ في داخل السيارة وبالتالي يدعم زيادة كفاءة الوقود والطاقة. من المتوقع تسويق الجهاز في العامين المقبلين. وبدعم جزئي من منظمة الطاقة الجديدة وتطوير التكنولوجيا الصناعية (NEDO ، اليابان) ، ستبدأ الشركة أيضًا في الإنتاج الضخم لعاكس SiC فائق الصغر قريبًا.
في العام الماضي ، تم إطلاق أول وحدة تحكم برمجية ميدانية ثورية في الصناعة (FPCU) كهيكل جديد لأشباه الموصلات يمكن أن يكون مسؤولاً عن تعزيز نطاق وأداء المركبات الكهربائية والهجينة. تم تصميم جهاز أشباه الموصلات RF هذا بواسطة Silicon Mobility ، ومقرها في فرنسا ، بهدف تمكين تقنيات EV و HEV الحالية من تحقيق أقصى إمكاناتها. شريك تصنيع Silicon Mobility في تطوير FPCU هي شركة تصنيع أشباه الموصلات ومقرها الولايات المتحدة - GlobalFoundries.
تزايد الطلب على أشباه موصلات الطاقة الراديوية في منطقة آسيا والمحيط الهادئ
نظرًا لأن العالم يتحول بسرعة إلى مصادر طاقة منخفضة الكربون لتحقيق نقل موفر للطاقة ، فإن الضغط الناتج عن تقليل البصمة الكربونية على المركبات الموفرة للطاقة في المبنى. حتى لو بدأ الإنتاج الضخم منذ حوالي عقد من الزمان ، فإن سوق المركبات الكهربائية يفوق بالفعل سوق المركبات التقليدية التي تعمل على محرك الاحتراق الداخلي. معدل التوسع في السابق يقال تقريبا 10X ذلك من بعد وقرب نهاية عام 2040، أكثر من 1/3 الثالثة سوف تمثل من إجمالي مبيعات السيارات الجديدة من السيارات الكهربائية.
تشير أحدث البيانات الصادرة عن الرابطة الصينية لمصنعي السيارات إلى أنه تم بيع أكثر من نصف مليون مركبة كهربائية في الصين وحدها ، في عام 2016 ، والتي شملت بشكل رئيسي المركبات التجارية والحافلات. بينما ستظل الصين أكبر سوق للسيارات الكهربائية على المدى الطويل ، ظل معدل إنتاج المركبات الكهربائية في ارتفاع مستمر في منطقة آسيا والمحيط الهادئ بأكملها.
بالإضافة إلى صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية المزدهرة بشكل كبير ، شهدت المنطقة مؤخرًا نموًا كبيرًا في سوق المركبات الكهربائية ، مما خلق فرصة قوية لاختراق أشباه موصلات طاقة التردد اللاسلكي ، ويفضل أن يكون ذلك على أساس GaN.
يبلغ التقييم العالمي لسوق أشباه موصلات الطاقة اللاسلكية حوالي 12 مليار دولار أمريكي (اعتبارًا من نهاية 2018). مع فرص الاختراق الناشئة عن بداية تقنية 5G ، والاعتماد المكثف للبنية التحتية للشبكة اللاسلكية وتقنية إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) ، والتوقعات المزدهرة لمشهد الإلكترونيات الاستهلاكية ، ومبيعات السيارات الكهربائية المتزايدة (EV) ، وعائدات سوق أشباه الموصلات للطاقة اللاسلكية من المرجح أن تتوسع بمعدل نمو سنوي مركب مذهل بنسبة 12٪ حتى عام 2027.
Aditi Yadwadkar هو كاتب ذو خبرة في أبحاث السوق وقد كتب على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات وأشباه الموصلات. في Future Market Insights (FMI) ، تعمل عن كثب مع فريق أبحاث الإلكترونيات وأشباه الموصلات لتلبية احتياجات العملاء من جميع أنحاء العالم. تستند هذه الرؤى إلى دراسة حديثة حول سوق أشباه الموصلات في الطاقة RF من قبل FMI.