وتتطور المشهد الإلكتروني للطاقة بسرعة مع ظهور موصلات شبه موصلات سيليكون للكربون، وهذه المواد المتقدمة تحول التكنولوجيا التقليدية لتحويل البوابة، وفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات عالية الكفاءة، وقوى عالية، وفهم مستقبل تكنولوجيا GTO في هذا السياق، أمر أساسي للمهندسين والباحثين والطلاب على السواء، والتآزر بين هياكل الغدة الدرقية النضجية والمواد التقليدية المتزايدة النطاق التي تعد بتقديم أجهزة

فهم بوابة التحول

العملية الأساسية والمواصفات

إن جهاز تحويل النفايات هو جهاز نصف موصل ثلاثي المدى يمكن تحويله إلى بوابة إيجابية ويتحول إلى بوابة سلبية، وتميز هذه البوابة الكاملة بين أجهزة التكتل الرئيسية وبين ثغرة التوليد القياسية، مما يتطلب تغييرا في جهاز التفريغ، وعندئذ يتكون هيكل الجهاز من تغيير طبقات الأشعة المقطعية وطبقات الأشعة غير المتحركة، وعادة ما تكون أربعة طبقات (الصفحة الثانية).

وتتميز هذه العمليات بقدرتها العالية على وقف الفولط (من طراز 600 V إلى 6.5 كيلوفولت ف) وقدرة كبيرة مناولة المناولة الحالية (من مئات إلى آلاف الأمبيرات) وتهبط فيها الفولطية في الدولة، على غرار ما هو عليه الحال بالنسبة للأغرار، ولكن مكسبها من السحب (من الانعقاد إلى البوابة الحالية المطلوبة لإيقاف تشغيلها) منخفض نسبيا، وغالبا ما يكون منطلقا من 4 إلى 10.

التطبيقات والحدود التقليدية

ومن الناحية التاريخية، كانت أجهزة التحويل ذات التأثيرات العالية من الطاقة المتوسطة والمتوسطة، وهي تستخدم على نطاق واسع في المحركات المحركات للمضخات الصناعية، والمراوح، والموصلات؛ وفي نظم الشباك الخاصة بالقاطرات والقطارات الكهربائية؛ وفي أجهزة قياس التردد VAR الثابتة لاستقرار الشبكات؛ وفي إمدادات الطاقة الكبيرة غير القابلة للتداخل، كانت قوتها وقدرتها على معالجة التواريخ العالية، والسلسلة البسيطة

غير أن معاملات التحويل العالمية لها قيود ملحوظة، إذ إن سرعة التحول بطيئة نسبيا، مع فترات الانطلاق المعتادة في عشرات الاثباتات الدقيقة، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في التحول عند ترددات أعلى، والحاجة إلى وجود دوائر كبيرة تعمل بالضغط على الدي في دي أو دي أو دي في أثناء فترات التقلبات المعقدة والوزن والتكاليف.

The Emergence of Silicon Carbide in Power Electronics

Properties of SiC

(ب) إن شركة سيليكون كاربيد هي شركة شبه مركب مكونة من السيليكون والكربون، وهي مجموعة واسعة النطاق (حوالي 3.26 من طراز CIC مقابل 1.12 من طراز eV من أجل السيليكون) تتيح عدة خصائص أعلى، حيث إن قوة الطاقة الكهربائية في سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي أكبر ب 10 من درجة الحرارة، وهي أكثر من درجة الحرارة العالية، مما تسمح بتصميم أجهزة انحرفية أعلى بكثير من طبقة أعلى من طبقة من أعلى من أعلى من طبقة من طبقة مائلية معينة.

وتترجم هذه الممتلكات مباشرة إلى منافع إلكترونية للطاقة: ارتفاع معدل التحلل، وانخفاض الخسائر في السلوك، وسرعة التبديل (مع انخفاض الخسائر في التحول)، وتحسين الإدارة الحرارية، كما أن شركة سي سي سي سي سي سي تُظهر جسامة إشعاعية ممتازة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الجوية والفضاء والتطبيقات العسكرية.

مقارنة مع أجهزة السيليكون

وقد تغلب السيليكون على أجهزة توليد الطاقة الكهربائية منذ عقود، ولكن يجري تناول حدودها المادية، وتحتاج أجهزة السيليكون ذات الحجم الكبير إلى طبقات من العواصف السامة والخفيفة التي تزيد على المقاومة وتحد من الكثافة الحالية، وتقييد السرعة التحويلية بسبب الحاجة إلى إدارة آثار تخزين الشحنات، وعلى النقيض من ذلك، يمكن لأجهزة السيك أن تحقق عمليات أحادية القطب (مثلا، الخسائر المضبة).

غير أن صناعة سي سي سي سي سي هي أكثر صعوبة، فقد أدت العيوب الخفيفة، والقيود المفروضة على حجم الشواطئ (التي تبلغ حاليا 150 إلى 200 مم)، وارتفاع تكاليف المواد، إلى إعاقة تاريخية لعملية التبني على نطاق واسع، وأدى التقدم المطرد في النمو البلوري، والضرائب، وتجهيز الأجهزة إلى خفض الكثافة العيوب وتحسين العائدات، مما أدى إلى خفض التكاليف على مدى العقد الماضي.

الدولة الحالية لتكنولوجيا شركة SiC

وتشمل أجهزة السي سي سي سي سي سي سي سي سي إم دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي دي أو إم إس في تي، و جي تي، التي تُقيَّم من 600 V إلى 3.3 كيلو فولت، مع بعض النماذج الأولية التي تصل إلى 10 كيلو فولت أو أكثر، وتُعمم الآن في أجهزة التصفيق ذات القدرة المنخفضة على الحركة الكهربائية، وأجهزة التفريغ الشمسية، وهي أقل استخداماً في إنتاجها.

كيف سي سي يحسن أداء GTO

ارتفاع درجة الحرارة والدرجة الحرارة

وقد يؤدي ارتفاع قوة السي سي سي سي إلى تمكين المحركات التجارية العالمية من سد كميات أكبر بكثير من فولتات المنطقة العائمة، ويمكن أن يكون لـ 10 كيلو فولط سي سي سي سي تي جي تي سماكة من طبقة المياه العائمة تبلغ نحو 100 ميكروم، مقارنة بما يزيد على 600 ميكروم لجهاز من أجهزة السيليكون قابلة للمقارنة، مما يقلل من مقاومة السلسلة ويتيح زيادة الكثافة الحالية، كما يمكن أن تعمل أجهزة التر المزود بالبطينات الحرارية في درجات الحرارة عند درجة الحرارة المتحركة عند درجة الحرارة العالية عند درجة الحرارة المبردة التي تتجاوز 250 درجة مئوية.

التبديل السريع والخسائر المخفضة

وسرعتها عالية وطبقات انجرافية عالية مما يتيح فترات انطلاق في منطقة الطول دون الثانية

كما أن انخفاض معدل الفولط في الولايات في المدار الثابت بالنسبة للسي سي سي سي سي سي إي تي في ظل كثافة عالية في الوقت الراهن يسهم في تحقيق الكفاءة، وقد يظهر هذا الانخفاض في معدله أن هناك انخفاضا في حجم الطائرة يتراوح بين ٢ و ٣ و ٣ و ٤ في الناتج المحلي بالنسبة لموقع سيليكون جي تي، وفي النظم المتوسطة الحجم، يمكن أن يوفر تخفيضا قدره مئات الكيلوات في كل سنة.

المنافع على مستوى المنظومة

ويسمح الجمع بين ارتفاع درجة الحرارة وسرعتها المتغيرة بمبسطة هياكل النظام، إذ يلزم استخدام أجهزة أقل في السلسلة للوصول إلى درجة الفول المراد، مما يقلل عدد السائقين من البوابات، والزلاجات، وتوازن الدوائر، حيث يمكن أن تزيل درجة الحرارة العالية من التقاطع أو تقلل من البنية التحتية للتبريد، ويقلل التحول السريع من حجم أجهزة قياس الترددات والمنتجات.

وهذه الفوائد جذابة بوجه خاص في التطبيقات التي تنطوي على قيود صارمة في مجال الفضاء والوزن، مثل الفضاء الجوي، والمركبات الأرضية العسكرية، ونظم الطاقة في السفن، كما أن ارتفاع الكفاءة يترجم إلى انخفاض استهلاك الطاقة وانخفاض تكاليف التشغيل على مدى عمر النظام.

التطورات والتطبيقات المستقبلية

سي جي تي في المركبات الكهربائية

وفي حين أن شركة سي سي سي إم إف تي تخترق بالفعل سوق المركبات الكهربائية، فإن شركة سي سي سي سي سي جي تو ست تستهدف مركبات ثقيلة العمل وخطائب عالية، وبالنسبة للحافلات الكهربائية والشاحنات والمعدات الموجودة خارج الطريق، حيث من المرجح أن ترتفع كميات البطاريات فوق 800 ف، فإن شركة سي سي سي سي جي تي تول تقدم بديلاً له خسائر أقل من الخسائر في الدولة في أسعار السلع الأساسية تحت مستوى عال.

الطاقة المتجددة والهياكل الأساسية للقرائن

وفي إطار التحولات الشمسية الكبيرة، ومحولات التربينات الريحية، ونظم تخزين الطاقة بالبطارية، تحتاج إلى مراحل عالية من الطاقة الكهربائية العالية الكفاءة، ويمكن أن تكون أجهزة التحويل الرئيسية في أجهزة التحويل المتعددة المستويات - مثل المحولات المحايدة ذات النقاط المحايدة والشبكات المتعددة المستويات - لتطبيقات متصلة بالشبكة، كما أن ارتفاع معدل التصاميم يتيح إمكانية الوصول المباشر إلى أجهزة تحويل ذات أرقام متوسطة (10).

السيارات الصناعية

التطبيقات الصناعية بما فيها خراطيم الألغام، وقاذفات الصواريخ الكبيرة تستفيد من سطوح أجهزة التصوير المقطعي، وأجهزة التصوير الضوئي التابعة للسي سي سي سي جي تي تقدم هذه الميزة إلى سرعة عالية ودرجات حرارة أكبر، مما يتيح زيادة عدد أجهزة الدفع المدمجة في خطوط السكك الحديدية، حيث يكون الفضاء تحت المركبة محدوداً، وكثيراً ما يكون ملوثاً، ودرجة الحرارة العالية للسي سي جي تي تسمح بمكاسب مقفلة مصممة مغلفة

التصنيع

وتتوقف القدرة التجارية للسي سيك جي تي على خفض تكاليف التصنيع، وتركز الجهود على زيادة حجم الشفرات إلى 200 مم، وتحسين التوحيد القياسي للنمو الوبائي، والحد من تشتات الطائرات البازائية التي تؤدي إلى تدهور أداء الأجهزة، وتحسن أساليب التغليف المتقدمة، مثل قطع الفضة، وقطع النحاس المباشر، وتكيف الطوابع الميكانيكية مع وحدات قياس درجة الحرارة العالية.

إدماج نظم الطاقة النموذجية

وتُعتبر نماذج التحويل الخاصة بالسي سي سي جي مرشّحين طبيعيين لمجموعات الطاقة النموذجية التي يمكن موازتها وربطها بسلاسل لبناء محولات قابلة للتصعيد، حيث إن انخفاض الخسائر في التحولات يتيح تشغيلاً عالي التردد في الطبقات المتعددة المستويات النموذجية، مما يقلل حجم أجهزة التكتل بالحواجز الفرعية، وتقوم الشركات بتطوير مجموعات من أجهزة الترميز التي تستخدم في إطار نظام سي سي سي سي إي تي جي تي، والتي توفر التبريد الثنائي الجانب وتتيح تبسيط نهج البناء.

التحديات والتوجيهات البحثية

الموثوقية والإدارة الحرارية

ويعاني الباحثون من استكشاف تقنيات جديدة للربط ومواد فرعية (مثلاً، مركبات الغرافيت الخالي من الألم الحراري) التي تضاهي التوسع الحراري بين سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي إيه أوف أوف أو أسلاك، كما أن اهتمامات أكسيد النيتروز هي أيضاً من بين هياكل الديموغرافيت المتطورة.

دائرة البوابة

وتحتاج أجهزة النقل الجوي التابعة للسي سي سي سي جي إلى محركات بوابات قادرة على مصادرة وغرق تيارات عالية (كثير من الأمبيرات) بسرعة عالية، ويجب أن يكون سائق البوابة قوياً ضد ممرات النقل المشتركة وأن يوفر عزلة عالية، ويجري تطوير أدوية جديدة تستخدم تكنولوجيات الطاقة النووية الغازية والمتحولات المتكاملة لتلبية هذه المطالب، كما أن تصميم دوائر النسيج تطور أيضاً لتقليل الموصلات الطفيلية إلى أدنى حد مع الحفاظ على سلسلة الموازنات.

الصنع وإدارة التطهير

ويمكن أن تؤدي العيوب الخفيفة، ولا سيما التفكيكات في الميكروبيات والطائرات البازغة، إلى انهيار وتسرب مبكرين في مواضع السي سي سي سي سي سي سي سي، وفي حين انخفضت الكثافة العيوب، فإنها لا تزال أعلى من ذي قبل في وور النسيج، ولا تزال تقنيات التميز المتقدمة (مثل التصويري للجودة والكهرباء) تستخدم لفحص الأوعية، وطرق الجديدة للنمو الكريستالي مثل مستويات السائل.

خاتمة

ومستقبل تكنولوجيا GTO في عصر نواقل النسيج المتطورة هو مشرق ومتحول، إذ أن هذه النظم العالمية للسي سي سي سي سي سي سي سي جي تي تقدم في مجال الفول ودرجة الحرارة والسرعة، مما يتيح نظما إلكترونية أكثر كفاءة وترابطا للطاقة من أجل التطبيقات المطلوبة، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في مجال التصنيع والتغليف وتصميم البوابات، فإن البحث الجاري والاستثمار الصناعي سيك تتجه نحو زيادة الكهرباء وتكامل في مجال الطاقة المتجددة.

For further reading, refer to the Wikipedia article on GTO thyristors], an overview of ]silicon carbide material properties, and recent reviews on SiC power devices from the IEE ( Industry Xplore[L].