Кіріспе
Қуат технологиясы қазіргі заманғы электрондық құрылғылардың негізі болып табылады және технология дамыған сайын, қуат жүйесінің жұмысын жақсартуға сұраныс артып келеді. Бұл жағдайда жартылай өткізгіш материалдарды таңдау өте маңызды болады. Дәстүрлі кремний (Si) жартылай өткізгіштері әлі де кеңінен қолданылғанымен, Галлий нитриді (GaN) және кремний карбиді (SiC) сияқты жаңадан пайда болған материалдар жоғары өнімді қуат технологияларында көбірек танымал болуда. Бұл мақалада қуат технологиясындағы осы үш материал арасындағы айырмашылықтар, оларды қолдану сценарийлері және болашақ қуат жүйелерінде GaN және SiC неліктен маңызды болып жатқанын түсіну үшін ағымдағы нарықтық үрдістер зерттеледі.
1. Кремний (Si) — дәстүрлі қуатты жартылай өткізгіш материал
1.1 Сипаттамалары мен артықшылықтары
Кремний электроника өнеркәсібінде ондаған жылдар бойы қолданылған жартылай өткізгіштер саласындағы алғашқы материал болып табылады. Si негізіндегі құрылғыларда жетілген өндірістік процестер мен кең қолдану базасы бар, олар төмен құны және жақсы қалыптасқан жеткізу тізбегі сияқты артықшылықтарды ұсынады. Кремний құрылғылары жақсы электр өткізгіштігін көрсетеді, бұл оларды қуатты аз тұтынатын электроникадан жоғары қуатты өнеркәсіптік жүйелерге дейін әртүрлі қуатты электроника қолданбаларына қолайлы етеді.
1.2 Шектеулер
Дегенмен, энергетикалық жүйелердегі жоғары тиімділік пен өнімділікке сұраныс өскен сайын, кремний құрылғыларының шектеулері айқын болады. Біріншіден, кремний жоғары жиілікте және жоғары температура жағдайында нашар жұмыс істейді, бұл энергия шығындарының артуына және жүйе тиімділігінің төмендеуіне әкеледі. Сонымен қатар, кремнийдің төменгі жылу өткізгіштігі жоғары қуатты қолданбаларда жылуды басқаруды қиындатады, жүйенің сенімділігі мен қызмет ету мерзіміне әсер етеді.
1.3 Қолдану аймақтары
Осы қиындықтарға қарамастан, кремний құрылғылары көптеген дәстүрлі қолданбаларда, әсіресе шығынды қажет ететін тұтынушылық электроникада және AC-DC түрлендіргіштері, DC-DC түрлендіргіштері, тұрмыстық техника және жеке есептеуіш құрылғылар сияқты төмен және орташа қуатты қолданбаларда басым болып қала береді.
2. Галлий нитриді (GaN) — жоғары өнімді материал
2.1 Сипаттамалары мен артықшылықтары
Галий нитриді - кең жолақжартылай өткізгішжоғары ыдырау өрісімен, жоғары электрон қозғалғыштығымен және төмен қарсылықпен сипатталатын материал. Кремниймен салыстырғанда, GaN құрылғылары жоғары жиілікте жұмыс істей алады, бұл қуат көздеріндегі пассивті компоненттердің өлшемін айтарлықтай азайтады және қуат тығыздығын арттырады. Сонымен қатар, GaN құрылғылары, әсіресе орташа және төмен қуатты, жоғары жиілікті қолданбаларда төмен өткізгіштік пен коммутациялық шығындарға байланысты қуат жүйесінің тиімділігін айтарлықтай арттырады.
2.2 Шектеулер
GaN өнімділігінің айтарлықтай артықшылықтарына қарамастан, оның өндірістік шығындары салыстырмалы түрде жоғары болып қалады, бұл оны тиімділік пен өлшем маңызды болып табылатын жоғары деңгейлі қолданбаларға пайдалануды шектейді. Сонымен қатар, GaN технологиясы әлі де дамудың салыстырмалы түрде ерте сатысында, ұзақ мерзімді сенімділік пен жаппай өндірістің жетілуіне қосымша тексеру қажет.
2.3 Қолдану аймақтары
GaN құрылғыларының жоғары жиілікті және жоғары тиімділік сипаттамалары олардың жылдам зарядтағыштар, 5G байланыс қуат көздері, тиімді инверторлар және аэроғарыштық электрониканы қоса алғанда, көптеген дамып келе жатқан салаларда қолданылуына әкелді. Технологиялар дамып, шығындар азайған сайын, GaN қосымшалардың кең ауқымында маңызды рөл атқарады деп күтілуде.
3. Кремний карбиді (SiC) — жоғары вольтты қолданбалар үшін таңдаулы материал
3.1 Сипаттамалары мен артықшылықтары
Кремний карбиді - бұл кремнийге қарағанда айтарлықтай жоғары ыдырау өрісі, жылу өткізгіштігі және электронды қанықтыру жылдамдығы бар кең жолақты жартылай өткізгіш материал. SiC құрылғылары жоғары вольтты және жоғары қуатты қолданбаларда, әсіресе электр көліктерінде (EV) және өнеркәсіптік инверторларда жақсы. SiC жоғары кернеуге төзімділігі және коммутацияның төмен шығындары оны қуатты тиімді түрлендіру және қуат тығыздығын оңтайландыру үшін тамаша таңдау жасайды.
3.2 Шектеулер
GaN-ге ұқсас, SiC құрылғыларын өндіру қымбат, өндірістік процестері күрделі. Бұл оларды электр энергиясы жүйелері, жаңартылатын энергия жүйелері, жоғары вольтты инверторлар және смарт желі жабдықтары сияқты жоғары құнды қолданбаларға пайдалануды шектейді.
3.3 Қолдану аймақтары
SiC тиімді, жоғары вольтты сипаттамалары оны электр энергиясының инверторлары мен зарядтағыштары, жоғары қуатты күн инверторлары, жел энергиясы жүйелері және т.б. сияқты жоғары қуатты, жоғары температуралық орталарда жұмыс істейтін энергетикалық электроника құрылғыларында кеңінен қолдануға мүмкіндік береді. Нарық сұранысы өскен сайын және технология дамыған сайын, SiC құрылғыларын осы салаларда қолдану кеңейе береді.
4. Нарық үрдісін талдау
4.1 GaN және SiC нарықтарының жылдам өсуі
Қазіргі уақытта энергетикалық технологиялар нарығы бірте-бірте дәстүрлі кремний құрылғыларынан GaN және SiC құрылғыларына ауысатын трансформациядан өтуде. Нарықты зерттеу есептеріне сәйкес, GaN және SiC құрылғыларының нарығы тез кеңейіп келеді және алдағы жылдарда өзінің жоғары өсу траекториясын жалғастырады деп күтілуде. Бұл тенденция, ең алдымен, бірнеше факторларға байланысты:
- **Электрлік көліктердің өсуі**: EV нарығы жылдам кеңейген сайын, жоғары тиімділіктегі, жоғары вольтты электр жартылай өткізгіштеріне сұраныс айтарлықтай артып келеді. SiC құрылғылары жоғары вольтты қолданбаларда жоғары өнімділікке байланысты таңдаулы таңдау болдыЭлектр энергиясы жүйелері.
- **Жаңартылатын энергияны дамыту**: Күн және жел энергиясы сияқты жаңартылатын энергияны өндіру жүйелері қуатты түрлендірудің тиімді технологияларын қажет етеді. Бұл жүйелерде жоғары тиімділігі мен сенімділігімен SiC құрылғылары кеңінен қолданылады.
- **Тұтынушы электроникасын жаңарту**: смартфондар мен ноутбуктер сияқты тұтынушылық электроника жоғары өнімділікке және батареяның ұзақ қызмет ету мерзіміне қарай дамып келе жатқандықтан, GaN құрылғылары жоғары жиіліктегі және жоғары тиімділік сипаттамаларына байланысты жылдам зарядтағыштар мен қуат адаптерлеріне көбірек қолданылады.
4.2 Неліктен GaN және SiC таңдау керек
GaN және SiC-ке кеңінен назар аудару, ең алдымен, олардың арнайы қолданбалардағы кремний құрылғыларынан жоғары өнімділігіне байланысты.
- **Жоғары тиімділік**: GaN және SiC құрылғылары жоғары жиілікті және жоғары вольтты қолданбаларда жақсы жұмыс істейді, энергия шығындарын айтарлықтай азайтады және жүйенің тиімділігін арттырады. Бұл әсіресе электр көліктерінде, жаңартылатын энергия көздерінде және жоғары өнімді тұрмыстық электроникада маңызды.
- **Мөлшері кішірек**: GaN және SiC құрылғылары жоғары жиілікте жұмыс істей алатындықтан, қуат дизайнерлері пассивті құрамдастардың өлшемін азайта алады, осылайша қуат жүйесінің жалпы өлшемін кішірейтеді. Бұл тұтынушылық электроника және аэроғарыштық жабдықтар сияқты миниатюризацияны және жеңіл конструкцияларды талап ететін қолданбалар үшін өте маңызды.
- **Сенімділікті арттыру**: SiC құрылғылары сыртқы салқындату қажеттілігін азайтып, құрылғының қызмет ету мерзімін ұзарта отырып, жоғары температура, жоғары вольтты орталарда ерекше термиялық тұрақтылық пен сенімділікті көрсетеді.
5. Қорытынды
Заманауи энергетикалық технологияның эволюциясында жартылай өткізгіш материалды таңдау жүйе өнімділігі мен қолдану әлеуетіне тікелей әсер етеді. Кремний бұрынғысынша электр қуатын қолданудың дәстүрлі нарығында үстемдік етіп тұрса да, GaN және SiC технологиялары жетілген сайын тиімді, жоғары тығыздықты және жоғары сенімді қуат жүйелері үшін тамаша таңдауға айналады.
GaN тұтынушыға тез енедіэлектроникажәне байланыс секторлары өзінің жоғары жиілікті және жоғары тиімді сипаттамаларына байланысты, ал SiC жоғары вольтты, жоғары қуатты қолданбалардағы бірегей артықшылықтарымен электрлік көліктер мен жаңартылатын энергия жүйелеріндегі негізгі материалға айналуда. Шығындар азайып, технология дамыған сайын, GaN және SiC кремний құрылғыларын қосымшалардың кең ауқымында алмастырады деп күтілуде, бұл қуат технологиясын дамудың жаңа кезеңіне әкеледі.
GaN және SiC бастаған бұл революция энергетикалық жүйелердің жобалану тәсілін өзгертіп қана қоймайды, сонымен қатар тұрмыстық электроникадан энергияны басқаруға дейінгі көптеген салаларға терең әсер етіп, оларды тиімдірек және экологиялық таза бағыттарға итермелейді.
Жіберу уақыты: 28 тамыз 2024 ж