Ποιες είναι οι ανακαλύψεις στην τεχνολογία των διόδων στο πλαίσιο της ενεργειακής μετάβασης;

1, Επανάσταση υλικών: Ημιαγωγοί ευρείας ζώνης ξεκινούν μεταβάσεις απόδοσης
Οι παραδοσιακές δίοδοι που βασίζονται σε πυρίτιο-περιορίζονται από τις φυσικές ιδιότητες του υλικού τους, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη διάσπαση της απόδοσης και της αξιοπιστίας σε σενάρια υψηλής τάσης, υψηλής συχνότητας και υψηλής θερμοκρασίας. Υλικά ημιαγωγών ευρείας ζώνης που αντιπροσωπεύονται από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) αναδιαμορφώνουν το τοπίο της τεχνολογίας των διόδων με τα μοναδικά φυσικά πλεονεκτήματά τους.

Η ένταση του πεδίου διάσπασης των διόδων καρβιδίου του πυριτίου φτάνει τα 2,2 MV/cm, δηλαδή 9 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου. Η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται περισσότερο από 2 φορές και το ανώτερο όριο θερμοκρασίας λειτουργίας υπερβαίνει τους 200 βαθμούς. Στους φωτοβολταϊκούς μετατροπείς, οι κάθετα δομημένες δίοδοι SiC PiN επιτυγχάνουν πυκνότητες ρεύματος που υπερβαίνουν τα 200A/cm² και μειώνονται οι χρόνοι ανάστροφης ανάκτησης στα 50 νανοδευτερόλεπτα μέσω τεχνικών χάραξης βαθιάς τάφρου και επιταξιακής ανάπτυξης, που είναι 80% χαμηλότερος από τις συσκευές με βάση το πυρίτιο-. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το φωτοβολταϊκό σύστημα 1500V της Sunac Power, η χρήση διόδων SiC μειώνει τις απώλειες του συστήματος κατά 40%, αυξάνει την πυκνότητα ισχύος κατά 35% και μειώνει το κόστος ενός βατ κατά 0,02 γιουάν.

Οι δίοδοι νιτριδίου του γαλλίου επιδεικνύουν εξαιρετική απόδοση στο πεδίο RF λόγω της υψηλότερης κινητικότητας των ηλεκτρονίων τους. Το μέτωπο κύματος χιλιοστών-των σταθμών βάσης 5G υιοθετεί διόδους GaN Schottky για την επίτευξη διόρθωσης σήματος στη ζώνη συχνοτήτων 24 GHz-52 GHz, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας κατά 30% σε σύγκριση με συσκευές πυριτίου και υποστηρίζοντας την ανάπτυξη-μεγάλης κλίμακας σταθμών βάσης. Στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων, η υβριδική λύση GaN SiC έχει ολοκληρώσει δοκιμές πρωτοτύπων υψηλής συχνότητας 200 kHz στο εργαστήριο, με απόδοση που ξεπερνά το 99,2%. Εάν διατεθεί στο εμπόριο, θα προωθήσει τη μείωση κατά 50% του όγκου των φορτιστών οχήματος.

2, Δομική Καινοτομία: Τρισδιάστατη Κατακόρυφη και Ενοποίηση Νανοκλίμακας
Αντιμέτωπες με την απόλυτη επιδίωξη της πυκνότητας ισχύος σε νέα ενεργειακά συστήματα, οι δομές διόδων εξελίσσονται από-δισδιάστατες σε τρισδιάστατες-. Η κατακόρυφη δομή βελτιστοποιεί την τρέχουσα διαδρομή, μετατρέποντας την πλευρική μετάδοση σε διαμήκη μετάδοση, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση της συσκευής. Για παράδειγμα, οι κάθετες δίοδοι SiC PiN μπορούν να αντέξουν χιλιάδες βολτ αντίστροφης τάσης στη μετάδοση συνεχούς ρεύματος υπερ-υψηλής τάσης, μειώνοντας τον αριθμό των στοιχείων του σταθμού μετατροπέα κατά 60% και τις απώλειες του συστήματος κατά 15%.

Η τεχνολογία ολοκλήρωσης των διαδικασιών νανοκλίμακας προωθεί την ανάπτυξη των διόδων προς τη σμίκρυνση και την ολοκλήρωση. Σύμφωνα με τη διαδικασία των 7 nm, οι δίοδοι ενσωματώνονται με τρανζίστορ, πυκνωτές και άλλες συσκευές με ετερογενή τρόπο, σχηματίζοντας μια τρισδιάστατη στοιβαγμένη δομή μέσω προηγμένων τεχνολογιών συσκευασίας όπως CoWoS και InFO. Στο τσιπ διαχείρισης ενέργειας των smartphone, η μονάδα ισχύος που είναι ενσωματωμένη με διόδους νανοκλίμακας επιτυγχάνει γρήγορη φόρτιση χιλιοστών του δευτερολέπτου και δυναμική ρύθμιση κατανάλωσης ενέργειας και η απόδοση φόρτισης βελτιώνεται σε πάνω από 98%.

3, Επέκταση λειτουργιών: Από μεμονωμένη συσκευή σε λύση συστήματος
Η ανακάλυψη της τεχνολογίας των διόδων δεν αντανακλάται μόνο στη βελτίωση της απόδοσης, αλλά και στη λειτουργική ολοκλήρωση και τη συνεργασία του συστήματος. Στον τομέα των φωτοβολταϊκών, ο ελεγκτής ιδανικών διόδων Xinpeng Micro AP1790 προσομοιώνει τα χαρακτηριστικά Schottky ελέγχοντας εξωτερικά MOSFET για την επίτευξη εξαιρετικά-χαμηλής πτώσης τάσης προς τα εμπρός (60% χαμηλότερη από τις παραδοσιακές λύσεις) και το ρεύμα διαρροής πλησιάζει το μηδέν σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση. Μετά την εφαρμογή στο φωτοβολταϊκό βελτιστοποιητή, η απόδοση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος αυξήθηκε κατά 8% και η αύξηση της θερμοκρασίας μειώθηκε κατά 50%, λύνοντας τα προβλήματα της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και της δύσκολης απαγωγής θερμότητας των παραδοσιακών διόδων παράκαμψης υπό υψηλό ρεύμα.

Στα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, οι τρισδιάστατες δίοδοι κάθετης δομής-ενσωματώνονται με έξυπνες μονάδες ισχύος για την παρακολούθηση παραμέτρων πραγματικού{1} χρόνου, όπως η θερμοκρασία και η τάση. Για παράδειγμα, η τεχνολογία συσκευασίας DFN8 × 8 που χρησιμοποιεί πυροσυσσωμάτωση αργύρου, κλιπ χαλκού και ψύξη κορυφής μειώνει τη θερμική αντίσταση της διόδου σε 0,35 K/W, μειώνει τη θερμοκρασία διακλάδωσης κατά 25 μοίρες, επιτρέπει στον μετατροπέα αποθήκευσης ενέργειας να λειτουργεί με πλήρες φορτίο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 65 μοίρες, μειώνει το κόστος του ακτινοβολητή κατά 3 μοίρες και μειώνει το βάρος του αλουμινίου κατά 3. 0,015 γιουάν/Β.

4, Εμβάθυνση σεναρίου εφαρμογής: Πλήρης αλυσιδωτή κάλυψη νέας ενέργειας
Οι καινοτομίες στην τεχνολογία των διόδων είναι βαθιά ενσωματωμένες σε διάφορους κρίκους της νέας αλυσίδας της βιομηχανίας ενέργειας:

Τέλος παραγωγής ενέργειας: Στους φωτοβολταϊκούς μετατροπείς, οι δίοδοι SiC υποστηρίζουν αναβαθμίσεις τάσης συστήματος 1500V, αυξάνοντας τον αριθμό των εξαρτημάτων μιας στοιχειοσειράς κατά 30% και μειώνοντας το κόστος των καλωδίων κατά 20%. Στους μετατροπείς αιολικής ενέργειας, οι δίοδοι SiC υψηλής-συχνότητας αυξάνουν τη συχνότητα μεταγωγής στα 100 kHz και μειώνουν το μέγεθος των στοιχείων φιλτραρίσματος κατά 40%.
Τέλος αποθήκευσης ενέργειας: Μετά την υιοθέτηση του υβριδικού συστήματος SiC+GaN, η απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης του μετατροπέα αποθήκευσης ενέργειας βελτιώθηκε στο 98,5%, η διάρκεια ζωής του κύκλου έχει ξεπεράσει τις 10000 φορές και το κόστος ανά κιλοβατώρα μειώθηκε κατά 0,03 γιουάν.
Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας: Η διάδοση των πλατφορμών υψηλής-τάσης 800V για οχήματα νέας ενέργειας έχει οδηγήσει σε αύξηση της ζήτησης για διόδους SiC Schottky άνω των 1200V. Μετά την υιοθέτηση διόδων SiC στον ελεγκτή κινητήρα Tesla Model 3, η εμβέλεια αυξάνεται κατά 10%, το βάρος μειώνεται κατά 5% και ο χρόνος φόρτισης μειώνεται κατά 30%.
5, Βιομηχανική Οικολογική Ανασυγκρότηση: Η Άνοδος των Κινεζικών Επιχειρήσεων
Η παγκόσμια αγορά διόδων διαμορφώνει ένα ανταγωνιστικό μοτίβο «διεθνείς κολοσσοί που κυριαρχούν-υψηλού επιπέδου, κινεζικές εταιρείες επιταχύνουν τις καινοτομίες». Η Infineon, η Anson και άλλες εταιρείες καταλαμβάνουν την αγορά υψηλού επιπέδου-με τα πλεονεκτήματα έρευνας και ανάπτυξης υλικού SiC, ενώ οι κινεζικές εταιρείες, με γνώμονα την πολιτική υποστήριξη και τη ζήτηση της αγοράς, χτίζουν μια πλήρη οικολογική αλυσίδα μέσω της κάθετης ολοκλήρωσης. Μέχρι το 2025, το μερίδιο αγοράς των διόδων SiC στην Κίνα θα φτάσει το 28%, και εταιρείες όπως η Yangjie Technology και η Silan Microelectronics θα μπουν στην πρώτη πεντάδα παγκοσμίως. Οι κατασκευαστές συστημάτων όπως η Sunac και η BYD θα συνεργαστούν σε βάθος με εταιρείες τσιπ για να προωθήσουν το ποσοστό διείσδυσης των οικιακών συσκευών σε φωτοβολταϊκά συστήματα 1500V να ξεπεράσει το 60%.