وقد ظلت أجهزة البوابة النثرية (GTO) تشكل منذ وقت طويل حجر الزاوية في الأجهزة الالكترونية ذات الطاقة العالية، مما يوفر رقابة قوية على الفولط الكبير والتيارات في النظم التي تتراوح بين الحركات الصناعية واللافتات التي تستخدم الشبكات، وحيث أن الطلب العالمي على كفاءة الطاقة والتكامل المتجدد يكثف، فإن تطور تكنولوجيا النظام العالمي للأخشاب المدارية يتسارع، وهذه المادة تستكشف أهم الاتجاهات الناشئة من نظم جديدة في مجال علوم المواد إلى مراقبة الذكاء.

دال - التقدم في مجال تكنولوجيا المواد

وقد عملت مجموعة الأدوات التقليدية ذات القاعدة السائلة على نحو جيد منذ عقود، ولكن حدودها المادية من حيث تبديل السرعة، وقطع الطليعة، والتسامح الحراري، أصبحت معوقات لنظم الطاقة الجيل القادم، كما أن اعتماد الموصلين شبه المزودين بشبكة واسعة النطاق - وعلى وجه الخصوص قيربيد السيليكون (SiC) ونايتريد غاليوم (GaN) - يمثل أكثر الاتجاهات تطوراً.

Silicon Carbide (SiC) GTOs

(سي تي) يقدم قوة ميدانية مُعطلة تقريباً عشرة أضعاف القوة التي يُمكنها من سدّ الفول السوداني للفولطينات التي تتجاوز 10 كيلو فولت أمتار بينما يُبقي على مقاومة منخفضة في الدول، وهذه السمة حاسمة في انتقال الهواء مباشرة إلى مستوى عالٍ من الضوضاء والتدفئة الصناعية، حيث تُحدّد كفاءة النظام على فقدان السلوك إلى أدنى حدّ.

Gallium Nitride (GaN) GTOs

GaN, another wide-bandgap material, excels in applications that require extremely fast shifting and high-frequency operation. Although GaN power devices are typically lateral structures suited for lower voltages (up to 650 V), ongoing research into capital GaN GTOs promises to push the voltage qulovolt range while maintaining the material center’s low gate charge and minimal recovery losses

تكامل المواد المتجانسة

وفيما عدا شركة سي سي سي أو غا إن، يقوم الباحثون باستكشاف هياكل هجينة للنظم العالمية لتخريب السلع التي تجمع بين طبقات سليكون رقيقة من المواد ذات النطاق الواسع، وتهدف هذه الأجهزة المتباينة إلى تعزيز نضج صناعة السيليكون مع اكتساب مزايا الأداء لشبه الموصلات المركبة، فعلى سبيل المثال، يمكن لقاعدة السيليكون ذات طبقة ملحمية أن تقلل من تصميمات السائل المحتوية على الفولطيسي بنسبة 30 في المائة.

التكامل مع التكنولوجيات الذكية

ولن يكون الجيل القادم من أجهزة النظام العالمي لمراقبة التجارة عناصر تحويل سلبية؛ وسيتضمن معلومات استخبارية على شكل مضغوطة تتصل بمراقبين على مستوى المنظومة، وهذا النموذج " الذكي " الذي تقوده الحاجة إلى رصد الحالة في الوقت الحقيقي، والسيطرة على التكيف، وتعزيز الموثوقية في التطبيقات الحرجة للبعثة مثل الربط الشبكي وخط السكك الحديدية.

أجهزة الاستشعار المدمجة ورصد الحالات

(ب) نماذج الاختبارات العالمية المقبلة يُتوقع أن تدمج أجهزة الاستشعار المؤقتة ، ،] مع إدخال نماذج غير متقنة من أجهزة الاستشعار بالثباتات، ،

دائرة البوابة المتقدمة

(ب) إن محركات التحلل التقليدية للبوابات هي شبكات بسيطة للمقاومين، غير أن أجهزة التقلب الذكية الحديثة تستخدم [(FLT:0)] سائقي البوابة الخاضعة للرقابة () التي تضبط مسارات التقلبات والقابلات في الوقت الحقيقي استناداً إلى ظروف التحميل، ويمكن أن تخفف هذه المراقبة الفعالة للتحكم في التحول بنسبة تصل إلى 40 في المائة بينما تحجب التداخلات الضوئية على البيئة.

التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية

وعلى مستوى النظام، يجري وضع نماذج لمحولات GTO على أنها توأمتين رقميتين ] - نسختين افتراضيتين تعكسان الحالة الكهربائية والحرارية للمعدات، ويمكن للمشغلين، على سبيل المثال، أن يكتشفوا حالات الانحراف التي تدل على وجود نمط متغير في محطات الاستبدال ذات السعة العالية.

تطبيقات نظم الطاقة المتجددة

وقد أدى الضغط العالمي نحو إزالة الكربون إلى طلب هائل على الكترونيات الطاقة القادرة على معالجة مستويات التقطع والطاقة العالية للمصادر المتجددة، وتلائم النظم العالمية، التي تتسم ببساطتها المتأصلة وقدرتها العالية على تحمل السيارات، بشكل فريد لعدة أدوار رئيسية في مشهد الطاقة المتجددة.

المنحرفون الشمسيون

أما محطات التقلب الضوئي ذات النطاق الترددي، فتتجاوز الآن بصورة روتينية 100 ميغاواط، مما يتطلب من المحاورين الذين يمكنهم تجهيز تيارات ضخمة في فولتات تصل إلى 1.5 كيلو فولت، وتظهر أجهزة التكتل التي تستخدم السي سي سي سي سي سي سي سي سي كي كجهاز اختيار للمتحولين المركزيين في هذه المنشآت، ويسمح انخفاض نسبة الخسارات التي تترجم إلى ارتفاع حرارة الارتفاع (5-20 كيلو مترا) بزيادة في حجم وكلفة المقاييس.

متعهدو الطاقة الفائزون

STOC-T-MTO-T-S-T-MTO-B-MTO-B-S-T-B-MTO-B-L-S-L-F-F-L-S-MTO--F-FT-B-G-FT-B---F-F-F-S-L-L-F-F-F------------FT-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Grid-Scale Energy Storage

(ب) إن نظم تخزين الطاقة في البطاريات المستخدمة في تثبيت الشبكة وتصريفها في ذروة تتطلب تحويلات ثنائية الاتجاه من شركة DC-AC. ويمكن لللافتات التي تستخدمها الشبكة العالمية أن تعالج التواريخ العالية التي تحدث أثناء اضطرابات الشبكة دون أن ترتفع، وتوفر قدرة أساسية على الوصل من خلال الشبكة .

التطبيقات الناشئة فيما بعد التجديدات

وفي حين أن الطاقة المتجددة هي المحرك الرئيسي، فإن عدة قطاعات أخرى مستعدة للاستفادة من الجيل القادم من أجهزة النظام العالمي للأخشاب المدارية.

ارتفاع مستوى المرتجلات

وبالإضافة إلى ذلك، فإن نظم التردد العالي جداً هي العمود الفقري لبث الطاقة البعيد المدى والربط بين الغواصات، إذ أن محطات التحويل ذات المصدر العالي الحديثة تستخدم بشكل متزايد أجهزة متعددة الترددات ذات القاعدة GTO، ولكن الدفع إلى مستويات أعلى من الفولط (مثلاً، 800 كيلوفولت وما بعده) يعرّض قيود الحد من حجم أجهزة الترميز الرئيسية في إطار سلسلة " سي سي سي جي تي " (GTOs) التي تزيد من قدرتها على التك.

مركبات الترميم والكهرباء

(ب) يمتد كهرباء النقل إلى ما وراء سيارات الركاب إلى السكك الحديدية الثقيلة والآلات البحرية وغير المستخدمة في النقل، وتتمتع هذه المركبات بسجل طويل في محركات الإنقاذ الخاصة بالمركبات ذات الترددات العالية والتخزينات، ولكن تطبيقات التراكب الحديثة تتطلب قدراً أكبر من الطاقة والكفاءة.

السيارات الصناعية

وتحتاج المحركات الصناعية الكبيرة (فوق 1 ميغاواط) المستخدمة في أجهزة الضغط والمضخات والمناقلات إلى محركات متغيرة للترددات (VFDs) يمكنها معالجة ارتفاع معدلات التقلب أثناء بدء التشغيل وظروف الخطأ.

التحديات ومسارات الابتكار

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة للمواد الجديدة والتكامل الذكي، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن تحقق النظم العالمية المتقدمة انتشارا تجاريا واسع النطاق.

الإدارة الحرارية

(أ) في حين تعمل شركة SiC وGN في درجات حرارة أعلى من السيليكون، فإن كثافة الحرارة في هذه الأجهزة يمكن أن تتجاوز في الغالب 500 دبلوم/سم2 أثناء فترة الذروة، وقد لا تكفي أساليب التبريد التقليدية مثل لوحات البرودة القسرية أو السائلة، وتشمل الحلول الناشئة التبريد بالغاز

التنميط والتغليف

ويستلزم التحول إلى أجهزة كهربائية أصغر حجماً، وأجهزة كهربائية أخف، مجموعات من أجهزة التكتل التي يمكن أن تُعالج تيارات عالية في بصمة مدمجة، كما أن نماذج الحزمة التقليدية التي تحمل علب ضغطاً قوياً في الوقت نفسه، وتشمل تقنيات التعبئة التالية ملحقات غذائية فضية متداخلة بدلاً من أن توفر قدرة على التصريف حراري وكهربائي أعلى وتسمح بالعمليات.

استراتيجيات خفض التكاليف

ولا تزال المواد ذات النطاق الواسع أكثر تكلفة من السيليكون على أساس الاختناق، مما يجعل النظام الآلي للسي سي سي سي سي سي سي و GN صالحا اقتصاديا للتطبيقات الحساسة من حيث التكلفة مثل المحولات الشمسية الداخلية أو السيارات المتوسطة القوة، يجري السعي إلى تحقيق عدة مسارات لخفض التكاليف:

  • Larger wafer diameters:] Moving from 150 mm to 200 mm SiC wafers can cutرق cost by over 30% through better area utilization.
  • Defect density improvements:] Reducing micropipe and dislocation density in SiC substrates increases yield and allows largerرقs.
  • Heterogeneous integration:] Using a silicon-driving stage with a SiC power stage can slash total module cost while retaining most of the performance benefit.
  • Automated manufacturing:] Advanced pick-and-place and solder-free bonding techniques reduce assembly labor.

مشروع نسق الطرق الصناعية الذي سيستخدم في عام 2030 تكاليف كل مصانع السي سي سي سي سي سي سي سي سي في حدود 20 في المائة من أجهزة السيليكون، وفي ذلك الوقت فإن الفائدة الإجمالية من تكاليف النظام (الفضلات لخفض التبريد والتسريع) ستجعل الانتقال جذابا اقتصاديا بالنسبة لمعظم التطبيقات ذات الطاقة العالية.

خاتمة

ومستقبل أجهزة الموصل شبه التابعة للشبكة العالمية للأخشاب المدارية يرتبط ارتباطا وثيقا بالتحول الأوسع للالكترونيات الكهربائية نحو زيادة الكفاءة، وزيادة الاستخبارات، وزيادة ظروف التشغيل المطلوبة، وتحول الابتكارات المادية - ولا سيما المواد ذات النطاق الواسع النطاق مثل نظام سي سي سي سي وغا إن - تعمل على دفع حدود الفول والتواتر ودرجة الحرارة.

ولا تزال التحديات في مجال الإدارة الحرارية والتقليل إلى أدنى حد من الطاقة والتكلفة كبيرة، ولكن سرعة الابتكار في مجال علوم المواد وهندسة العبوة آخذة في التسارع، ونظراً للتغلب على هذه الحواجز، ستؤدي هذه النظم دوراً مركزياً متزايداً في البنية التحتية للطاقة النظيفة والإنتاجية الصناعية في الغد، وسيكون المهندسون ومصممو النظم الذين يبقون على علم بهذه الاتجاهات في أفضل وضع يسمح لهم بتسخير كامل إمكانات الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية العالية الطاقة.