Jakie są przełomy w technologii diodowej w kontekście transformacji energetycznej?

1, Rewolucja materiałowa: Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej wkraczają w zmiany wydajności
Tradycyjne diody krzemowe- mają ograniczenia ze względu na właściwości fizyczne materiału, co utrudnia przekroczenie wydajności i niezawodności w scenariuszach wysokiego napięcia, wysokiej częstotliwości i wysokiej temperatury. Materiały półprzewodnikowe o szerokim paśmie wzbronionym, reprezentowane przez węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), zmieniają krajobraz technologii diod dzięki swoim wyjątkowym zaletom fizycznym.

Natężenie pola przebicia diod z węglika krzemu osiąga 2,2 MV/cm, czyli 9 razy więcej niż w przypadku krzemu. Przewodność cieplna wzrasta ponad 2 razy, a górna granica temperatury roboczej przekracza 200 stopni. W falownikach fotowoltaicznych diody SiC PiN o strukturze pionowej osiągają gęstość prądu przekraczającą 200 A/cm², a czas odzyskiwania sygnału zwrotnego jest skrócony do 50 nanosekund dzięki technikom trawienia w głębokich rowach i wzrostu epitaksjalnego, czyli o 80% krótszy niż w przypadku urządzeń opartych-na krzemie. Biorąc za przykład system fotowoltaiczny 1500 V firmy Sunac Power, zastosowanie diod SiC zmniejsza straty w systemie o 40%, zwiększa gęstość mocy o 35% i zmniejsza koszty pojedynczego wata o 0,02 juana.

Diody azotku galu charakteryzują się wyjątkową wydajnością w polu RF ze względu na wyższą ruchliwość elektronów. Na froncie-fali milimetrowych stacji bazowych 5G zastosowano diody GaN Schottky’ego, aby uzyskać prostowanie sygnału w paśmie częstotliwości 24 GHz-52 GHz, zmniejszając zużycie energii o 30% w porównaniu do urządzeń krzemowych i umożliwiając wdrażanie stacji bazowych na dużą-skalę. W dziedzinie pojazdów nowej energii rozwiązanie hybrydowe GaN SiC przeszło testy laboratoryjne-wysokiej częstotliwości 200 kHz, ze sprawnością przekraczającą 99,2%. Jeśli zostanie wprowadzony na rynek, będzie promować zmniejszenie o 50% liczby ładowarek pokładowych.

2, Innowacje strukturalne: trójwymiarowa pionizacja i integracja w nanoskali
W obliczu ostatecznego poszukiwania gęstości mocy w nowych systemach energetycznych struktury diod ewoluują od dwu-do trójwymiarowego-. Pionowa konstrukcja optymalizuje ścieżkę prądu, przekształcając transmisję poprzeczną na transmisję wzdłużną, co znacznie poprawia wydajność urządzenia. Na przykład pionowe diody SiC PiN wytrzymują tysiące woltów napięcia wstecznego w transmisji prądu stałego o ultra-wysokim napięciu, redukując liczbę elementów stacji przekształtnikowej o 60% i straty w systemie o 15%.

Technologia integracji procesów w skali nano sprzyja rozwojowi diod w kierunku miniaturyzacji i integracji. W procesie 7 nm diody są integrowane z tranzystorami, kondensatorami i innymi urządzeniami w sposób heterogeniczny, tworząc trójwymiarową-strukturę stosową dzięki zaawansowanym technologiom pakowania, takim jak CoWoS i InFO. W układzie zarządzania energią smartfonów moduł zasilania zintegrowany z diodami w skali nano zapewnia milisekundowe szybkie ładowanie i dynamiczną regulację zużycia energii, a wydajność ładowania poprawia się do ponad 98%.

3, Rozszerzenie funkcji: od pojedynczego urządzenia do rozwiązania systemowego
Przełom w technologii diod przekłada się nie tylko na poprawę wydajności, ale także na integrację funkcjonalną i współpracę systemów. W dziedzinie fotowoltaiki idealny kontroler diod Xinpeng Micro AP1790 symuluje charakterystykę Schottky'ego, sterując zewnętrznymi tranzystorami MOSFET w celu uzyskania bardzo-niskiego spadku napięcia w przewodzie (o 60% mniejszego w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami), a prąd upływowy zbliża się do zera w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu. Po zastosowaniu w optymalizatorze fotowoltaicznym wydajność wytwarzania energii przez system wzrosła o 8%, a wzrost temperatury spadł o 50%, rozwiązując problemy dużego zużycia energii i trudnego odprowadzania ciepła tradycyjnych diod bocznikowych przy dużym prądzie.

W systemach magazynowania energii-trójwymiarowe diody o strukturze pionowej są zintegrowane z inteligentnymi modułami mocy w celu monitorowania-parametrów w czasie rzeczywistym, takich jak temperatura i napięcie. Na przykład technologia pakowania DFN8 × 8 wykorzystująca spiekanie srebra, miedziany zacisk i chłodzenie od góry zmniejsza opór cieplny diody do 0,35 K/W, obniża temperaturę złącza o 25 stopni, umożliwia pracę falownika magazynującego energię przy pełnym obciążeniu w temperaturze otoczenia 65 stopni, zmniejsza wagę aluminiowego radiatora o 30% i obniża koszt systemu o 0,015 juana/W.

4, Pogłębienie scenariusza zastosowania: Pełne pokrycie łańcucha nowej energii
Przełomy w technologii diod są głęboko zintegrowane z różnymi ogniwami nowego łańcucha przemysłu energetycznego:

Koniec wytwarzania energii: W falownikach fotowoltaicznych diody SiC umożliwiają podwyższanie napięcia systemu do 1500 V, zwiększając liczbę elementów jednopasmowych o 30% i redukując koszty kabli o 20%; W przetwornikach energetyki wiatrowej diody-SiC o wysokiej częstotliwości zwiększają częstotliwość przełączania do 100 kHz i zmniejszają rozmiar elementów filtrujących o 40%.
Koniec magazynowania energii: po przyjęciu schematu hybrydowego SiC+GaN wydajność ładowania i rozładowywania falownika magazynującego energię została poprawiona do 98,5%, żywotność cyklu przekroczyła 10000 razy, a koszt kilowatogodziny obniżono o 0,03 juana.
Zużycie energii elektrycznej: popularyzacja platform-wysokonapięciowego 800 V dla nowych pojazdów energetycznych spowodowała gwałtowny wzrost popytu na diody Schottky'ego SiC powyżej 1200 V. Po zastosowaniu diod SiC w sterowniku silnika Tesla Model 3 zasięg zwiększa się o 10%, masa zmniejsza się o 5%, a czas ładowania ulega skróceniu o 30%.
5, Przemysłowa rekonstrukcja ekologiczna: rozwój chińskich przedsiębiorstw
Globalny rynek diod tworzy konkurencyjny wzór „międzynarodowych gigantów dominujących-z najwyższej półki, chińskich firm przyspieszających przełomy”. Infineon, Anson i inne firmy zajmują-rynek wysokiej klasy dzięki swoim zaletom w zakresie badań i rozwoju materiałów SiC, podczas gdy firmy chińskie, napędzane wsparciem politycznym i popytem rynkowym, budują kompletny łańcuch ekologiczny poprzez integrację pionową. Do 2025 roku udział w rynku diod SiC w Chinach osiągnie 28%, a do pierwszej piątki na świecie wejdą takie firmy jak Yangjie Technology i Silan Microelectronics. Producenci systemów, tacy jak Sunac i BYD, będą ściśle współpracować z producentami chipów, aby promować wskaźnik penetracji urządzeń domowych w systemach fotowoltaicznych 1500 V do ponad 60%.