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宽禁带半导体,推动先进自动化技术快速发展的五大方面

2023-11-22 16:32:18 Emily Newton 阅读:
宽禁带半导体可能会成为新的行业标准,推动下一代自动化技术的快速发展。

自动化可以彻底改变行业的未来,但前提是有合适的电子设备来为其提供支持。更具体地说,驱动机器人应用的半导体必须加以改进,才能推动自动化的发展。宽禁带半导体则可能会带来这种改变。Bayednc

虽然如今硅基本就等同于半导体,但宽禁带(WBG)材料的潜力却不容忽视。当足够多的晶圆厂意识到这些优势时,WBG半导体可能会成为新的行业标准,从而推动下一代自动化技术的快速发展。Bayednc

禁带半导体与硅

半导体市场的几乎全都来自硅芯片。原因也很容易理解,因为硅材料丰富且易于加工。然而,随着自动化技术的进步对半导体要求的提高,其相对较窄的禁带正成为一个更大的问题。Bayednc

硅的禁带为1.12电子伏(eV)。相比之下,宽禁带材料的禁带可高达4eV。它们通常还具有比纯硅更高的介电强度和热导率。Bayednc

WBG材料通常是合金,这是与纯硅行业标准的另一个不同。因此,这些化合物结合了不同元素的优点,最常见的有碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)。过去,它们的生产需要较高的生产成本和生产难度,但近来的进展使它们能够大规模应用。Bayednc

WBG半导体如何推动自动化技术改善

改用宽禁带半导体而不是纯硅具有几个有希望的优势,特别是对于自动化而言。以下是其中五个最令人振奋的优势。Bayednc

让自动化更具弹性

与纯硅相比,WBG材料的弹性是其最显著的优势之一。SiC可以承受高达200°C的温度,并且leakage(漏电流)极少。因此,使用这种材料的电子产品可适用于更广泛的工作环境。Bayednc

在大多数消费类应用中,导热性并不是一个重要的问题,但在工业自动化中,导热性却大不相同。如果为工业机器人提供动力的半导体能够承受更高的温度,工厂就可以实现最极端的工作流程自动化。这种自动化反过来又可以提高效率和工人的安全,让员工不再从事那些最为危险的工作。Bayednc

同样,WBG半导体能承受比纯硅更高的电压。这可能会为采矿或建筑等重工业应用带来更强大的机器人。目前的机器人很难胜任这些工作,但WBG材料提供了必要的第一步。Bayednc

降低成本

WBG半导体还可以降低自动化成本。虽然这些材料的初始价格可能较高,但从长远来看,由于其更高的效率,它们更具成本效益。Bayednc

这些节省的成本大多来自于WBG材料极小的开关损耗。由于它们可以在更高的频率下运行且损耗更少,所以它们所供电的设备消耗的能量更少。因此,企业使用机器人系统的支出比平时更少,从而更快地获得投资回报。Bayednc

WBG半导体还可以降低机器人的单价。这是因为它们可以在提供相同性能的同时,占用更少的PCB空间。它们需要的冷却基础设施更少,因此使用它们的机器人不需要那么多的材料和组件。机器人技术也就变得更加容易获得了。Bayednc

减少自动化的碳足迹

出于许多相同的原因,WBG半导体在环境上更具可持续性。开关损耗更少意味着这些芯片可以提供与硅产品相同或更好的效果,同时能源浪费更少。反过来,它们的终端利用使用更少的电力,从而减少了与能源相关的碳排放。Bayednc

机器人已经有利于可持续发展,因为它们比人工流程产生的废物更少。然而,它们的能源消耗却令人担忧,特别是考虑到可再生能源尚未被广泛应用于工业应用。使用WBG材料的更高效组件可以解决这个问题。Bayednc

随着WBG芯片使机器人更具可持续性,使用它们的企业可以提高效率,而不必担心增加碳足迹。随着气候变化的加剧,消费者和B2B客户的环保意识都在不断提高,因此这些好处不容忽视。Bayednc

最大限度地减少错误

更高的精度是部署自动化的另一个常见原因。WBG半导体可减少电气错误和类似故障的发生,从而实现这一目标。设备故障是造成生产停机的主要原因之一,因此这些改进可以节省大量成本。Bayednc

SiC和GaN半导体的故障率较低,尤其是在恶劣条件下,因为它们更具弹性。这种可靠性不仅使设备的用途更加广泛,还意味着它们能提供更加恰当的能量或以更一致的精度处理信息。因此,机器出错的可能性就会降低。Bayednc

当自主机器出现故障的可能性降低时,它们周围就会变得更加安全,从而提高协作机器人的采用率。使用这类设备的企业还可以通过最大限度地减少材料浪费来节省成本,从而获得更高的利润和更快的投资回报率。而这一切都将从这种新的半导体开始。Bayednc

实现更小的机器人

值得注意的是,WBG半导体可以实现更小的外形尺寸。而更高的热导率意味着这些组件不需要笨重的冷却系统。它们还可以在更小的空间内管理相同的电压而不会过载,从而进一步缩小其尺寸。Bayednc

反过来,更小的PCB又可以让先进的机器人在以前无法工作的区域工作。微型机器人可以在管道穿行来发现和解决管道问题、检查农场的土壤、进行手术等等。没有了过去的尺寸限制,可能性就变得更加广阔。Bayednc

自动化并不一定要在微型规模上实现,小外形尺寸也能派上用场。工程师还可以利用WBG半导体,使标准工业机器人变得更加紧凑。当这些机器占用的空间更少时,更多的工厂就可以安全地使用它们,从而不断地提高自动化的采用率。Bayednc

WBG半导体是自动化的未来

WBG半导体的可行性与日俱增。随着越来越多的机器人公司意识到它们的潜力,他们将以前所未有的速度推动这一领域的发展。Bayednc

WBG材料并不是解决自动化行业所有障碍的灵丹妙药。然而,如果应用得当,它们可以解决许多紧迫的挑战并开为实施带来新的机遇。下一代机器人技术的第一步就是了解WBG材料,以及它们是如何超越纯硅的。Bayednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:5 Daring Ways Wide Bandgap Semiconductors Drive Advanced Automation,由Ricardo Xie编译。)Bayednc

责编:Ricardo
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