ما هي المتطلبات الجديدة التي يفرضها ظهور الطاقة المتجددة على الثنائيات{0} ذات الجهد العالي؟

 

1، اختراق المعايير الفنية: من كيلو فولت إلى عشرات الآلاف من فولت

تُستخدم الثنائيات التقليدية ذات الجهد العالي- بشكل أساسي في محولات التردد الصناعية، والنقل بالسكك الحديدية، وغيرها من المجالات، حيث تتركز جهود التشغيل غالبًا في نطاق 600 فولت-1700 فولت. ومع ذلك، مع التوسع في تكامل شبكة الطاقة المتجددة، طرح نظام الطاقة متطلبات جديدة لمستوى جهد الصمود للثنائيات عالية الجهد:

قفزة الجهد في نظام نقل التيار المستمر

في أنظمة التجميع لمحطات الطاقة الكهروضوئية ومزارع الرياح، أصبحت تكنولوجيا تجميع التيار المستمر هي السائدة. بأخذ قاعدة Talatan الكهروضوئية في مقاطعة Qinghai كمثال، فإن خط نقل التيار المباشر عالي الجهد ± 800 كيلو فولت - المستخدم يتطلب أن يتحمل الصمام الثنائي جهد ذروة عكسي يتجاوز 10 كيلو فولت. حقق الصمام الثنائي من كربيد السيليكون (SiC) ذو الهيكل الرأسي الذي طورته شركة Taiji Semiconductor مستوى جهد تحمل يبلغ 12 كيلو فولت من خلال تقنية الحفر العميق للخنادق والنمو الفوقي، وتم اختصار وقت الاسترداد العكسي إلى 50 نانو ثانية، وهو أعلى بنسبة 80% من الأجهزة التقليدية المعتمدة على السيليكون-.

التكيف البيئي الشديد لطاقة الرياح البحرية

تضع منصة طاقة الرياح البحرية العائمة معايير صارمة لرش الملح ومقاومة التآكل للثنائيات. يعتمد الصمام الثنائي ذو الجهد العالي- المغلف بالمعدن والذي طورته شركة Weihai Huajie Electronics تقنية إطفاء القوس الهيدروجيني وتقنية الركيزة الخزفية، ولا يزال بإمكانه العمل بثبات في البيئات التي تبلغ نسبة الرطوبة فيها 95% وتركيز رش الملح بنسبة 5%. لقد تجاوز عمره الافتراضي 200000 ساعة وقد أصبح المكون المخصص لعاكس توربينات الرياح البحرية 15MW الخاص بـ Dongfang Electric.

إدارة الشحن والتفريغ لنظام تخزين الطاقة

في نظام تخزين الطاقة في Ningde Times، يحتاج صمام ثنائي الموازنة إلى تحمل تأثير الجهد العالي العابر أثناء شحن وتفريغ حزمة البطارية. يعمل الصمام الثنائي المنظم للجهد 5.1 فولت المستخدم على تقليل شحن الاسترداد العكسي (Qrr) إلى ثلث تلك الموجودة في الأجهزة التقليدية من خلال تقنية تطعيم الذهب، مما يؤدي إلى إطالة عمر البطارية بنسبة 20% وزيادة كفاءة التوازن إلى 99.5%.

2، التوسع العميق في سيناريوهات التطبيق: من وظيفة واحدة إلى تكامل النظام

تدفع خصائص التقلب للطاقة المتجددة إلى تطور الثنائيات ذات الجهد العالي-من وظائف التصحيح التقليدية إلى الحلول على مستوى النظام:

ثورة كفاءة المحولات الكهروضوئية

في عاكس سلسلة Huawei SUN2000-50KTL-H1، يتم استخدام الصمام الثنائي MUR1680CT للاسترداد فائق السرعة (trr=80ns) بالتوازي مع IGBT، مما يقلل من خسائر التبديل بنسبة 40%. في ظل ظروف الحمل الخفيف، تعمل خصائص الاسترداد الناعمة على منع ارتفاع الجهد بشكل فعال، مما يزيد من كفاءة اليورو إلى 98.7%، وهو أعلى بنسبة 1.2 نقطة مئوية من الحلول التقليدية.

ترقية موثوقية محول طاقة الرياح

يحافظ الصمام الثنائي SiC Schottky المستخدم في توربينات الرياح بقدرة 2.5 ميجاوات من Goldwind Technology على خصائص مستقرة في نطاق درجة الحرارة من -40 درجة إلى 150 درجة، ويظهر انخفاض جهد التوصيل (VF) معامل درجة حرارة سلبيًا مع زيادة درجة الحرارة، مما يتجنب خطر الفشل الناجم عن ارتفاع درجة الحرارة المحلية أثناء الاستخدام المتوازي. لقد مكّن هذا الجهاز MTBF (متوسط ​​الوقت بين حالات الفشل) للعاكس من تجاوز 200000 ساعة وخفض معدل الفشل السنوي إلى أقل من 0.3%.

الدعم الرئيسي لسلسلة صناعة الطاقة الهيدروجينية

في نظام إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربي، تحتاج الثنائيات ذات الجهد العالي- إلى تحمل تقلبات الجهد الناتجة عن التوقف المتكرر لبدء خلية التحليل الكهربي. يتمتع TVS (الصمام الثنائي لقمع الجهد العابر) الذي طورته شركة Silan Microelectronics بدقة جهد تثبيت تبلغ ± 1% ووقت استجابة أقل من 1 بيكو ثانية، مما يحمي بشكل فعال مكونات القطب الكهربائي الغشائي لخلايا التحليل الكهربائي PEM ويحافظ على كفاءة نظام إنتاج الهيدروجين بأكثر من 78%.

3، التحول النموذجي لابتكار المواد: من السيليكون-المعتمد على فجوة النطاق الواسعة

يؤدي السعي النهائي لتحقيق كفاءة استخدام الطاقة في أنظمة الطاقة المتجددة إلى التكرار المتسارع لأنظمة المواد ذات الصمام الثنائي ذات الجهد العالي-

تطبيق واسع النطاق لكربيد السيليكون (SiC)

Infineon CoolSiC ™ تتميز سلسلة الصمام الثنائي 1200 فولت بزمن استرداد عكسي يبلغ 35 نانو ثانية فقط عند درجة حرارة تقاطع تبلغ 25 درجة، ولها خاصية معامل درجة الحرارة الإيجابية، مما يجعل من السهل التوسع بالتوازي. في محطة الشحن الفائق Tesla V3، يعمل هذا الجهاز على زيادة كثافة الطاقة لوحدة الشحن بقدرة 350 كيلووات إلى 5 كيلووات/بوصة ³، مع كفاءة شحن تبلغ 99.2%، وهي أعلى بنسبة 1.5 نقطة مئوية من الحل القائم على السيليكون-.

اختراق الترددات اللاسلكية لنتريد الغاليوم (GaN)

في نظام إمداد الطاقة الكهروضوئية لمحطات قاعدة 5G، يدمج ترانزستور التنقل الإلكتروني عالي الجاليوم (HEMT) من Wolfspeed الثنائيات لتحقيق تصحيح الإشارة في نطاق التردد 24 جيجا هرتز - 52 جيجا هرتز، مما يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 30٪ مقارنة بأجهزة السيليكون. تعمل هذه التقنية على زيادة توليد الطاقة اليومي لنظام إمداد الطاقة الشمسية للمحطات الأساسية بنسبة 18% وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بما يزيد عن 2 طن سنويًا.

الاستكشاف الحدودي لأكسيد الغاليوم (Ga ₂ O ∝)

يتمتع الصمام الثنائي القائم على Ga ₂ O3 الذي طوره معهد أبحاث تكنولوجيا السوائل المفلورة الياباني بقوة مجال انهيار تبلغ 8 ميجا فولت / سم، وهو أكثر من 10 أضعاف قوة السيليكون. على الرغم من أنه لا يزال في مرحلة المختبر، إلا أن مستوى جهد التحمل النظري يمكن أن يتجاوز 10 كيلو فولت، والذي من المتوقع أن يوفر حلاً مدمرًا لنقل التيار المباشر عالي الجهد -في المستقبل.

4، إعادة الهيكلة وتحديات نمط السوق

إن النمو الهائل للطاقة المتجددة يعيد تشكيل بيئة سوق الثنائيات ذات الجهد العالي-:

التغيرات الهيكلية على جانب الطلب

وفقًا لتوقعات شركة Yole D é velopment، من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمية-للصمامات الثنائية ذات الجهد العالي إلى 4.5 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2027، حيث تمثل الطاقة المتجددة ما يزيد عن 40%. باعتبارها أكبر سوق للطاقة الكهروضوئية في العالم، من المتوقع أن يتجاوز طلب الصين على الثنائيات ذات الجهد العالي-8 مليار بحلول عام 2025، مما يدفع الشركات المحلية مثل Silan Microelectronics وHuatian Technology إلى احتلال أكثر من 60% من حصة السوق.

المنافسة التكنولوجية في جانب العرض

تعمل الشركات العالمية العملاقة مثل Texas Instruments وInfineon على تسريع تخطيط خطوط إنتاج SiC، في حين يحقق المصنعون الصينيون تجاوز المنحنى من خلال نماذج التكامل الرأسي. على سبيل المثال، قامت شركة Sanan Optoelectronics ببناء مصنع لرقائق SiC مقاس 6-بوصة بإنتاج شهري يصل إلى 50000 قطعة، ويبلغ معدل إنتاج الصمام الثنائي عالي الجهد 95%، وبتكلفة أقل بنسبة 20% من نظيراتها الدولية.

خطر التأخر في النظام القياسي

لا يزال معيار IEC 60747 الحالي يستخدم الأجهزة المستندة إلى السيليكون-كمعيار قياسي، وهناك اختلافات كبيرة في المعلمات مثل معامل التمدد الحراري وإجهاد التغليف للمواد ذات فجوة النطاق الواسعة. تحتاج الصناعة بشكل عاجل إلى إنشاء-معايير اختبار الصمام الثنائي عالي الجهد للمواد الجديدة مثل SiC وGaN لتجنب مخاطر الجودة الناجمة عن فقدان المعايير.