صمم الباحثون دوائر قادرة على العمل عند درجات حرارة تزيد عن 650 درجة فهرنهايت

صمم باحثون هندسيون في جامعة أركنساس دوائر متكاملة يمكنها البقاء على قيد الحياة عند درجات حرارة تزيد عن 350 درجة مئوية - أو ما يقرب من 660 درجة فهرنهايت. سيؤدي عملهم، الذي تموله مؤسسة العلوم الوطنية، إلى تحسين أداء المعالجات وبرامج التشغيل وأجهزة التحكم وغيرها من الدوائر التناظرية والرقمية المستخدمة في إلكترونيات الطاقة والسيارات ومعدات الطيران - والتي يجب أن تعمل جميعها في درجات حرارة عالية وغالبًا ما تكون شديدة للغاية.

وقال آلان مانتوث، الأستاذ المتميز: "تسمح هذه المتانة بوضع هذه الدوائر في مواقع لا يمكن للأجزاء القياسية القائمة على السيليكون أن تبقى فيها". "ساهمت كتل الدوائر التي صممناها في تحقيق أداء فائق لمعالجة الإشارات وأجهزة التحكم ودوائر التشغيل. نحن متحمسون للغاية بشأن النتائج حتى الآن."

يعتبر هذا البحث بالغ الأهمية لأن ثلث الطاقة المنتجة في الولايات المتحدة تمر عبر نوع ما من محولات الطاقة الإلكترونية أو محرك المحرك قبل أن تصل إلى المستخدم النهائي. ستمكن الدوائر التي طورها فريق جامعة أركنساس من التكامل المحكم للتحكم في الظروف البيئية القاسية التي تتطلبها هذه التطبيقات. كما أنها ستعمل أيضًا على تحسين الكفاءة الكهربائية مع تقليل الحجم الكلي وتعقيد هذه الأنظمة في نفس الوقت.

استخدم الباحثون كربيد السيليكون، وهي مادة شبه موصلة أكثر متانة من المواد التقليدية المستخدمة في الإلكترونيات. كربيد السيليكون قادر على تحمل الجهد العالي للغاية وهو موصل حراري جيد، مما يعني أنه يمكن أن يعمل في درجات حرارة عالية دون الحاجة إلى معدات إضافية لإزالة الحرارة.

وحقق فريق البحث بقيادة مانتوث وجيا دي، أستاذ هندسة الكمبيوتر، الأداء الأعلى من خلال الجمع بين كربيد السيليكون وتقنيات التصميم ذات درجات الحرارة الواسعة. في عالم إلكترونيات الطاقة والدوائر المتكاملة، يمثل عملهم أول تطبيق لعدد من كتل الإشارات التناظرية والرقمية والمختلطة الأساسية، مثل حلقة مقفلة الطور باستخدام تقنية كربيد السيليكون ذات النمط المجاني. الحلقة المقفلة الطور، أو PLL، هي نظام تحكم يولد إشارة خرج ترتبط مرحلتها بمرحلة إشارة الدخل. تعتبر هذه الوظيفة حاسمة في عدد من تطبيقات الدوائر مثل تزامن الإشارة، وتوليف التردد، وأنظمة التعديل وإزالة التشكيل.

كان البحث جزءًا من برنامج بناء القدرات الابتكارية التابع لمؤسسة العلوم الوطنية، والذي تم تصميمه لشراكة الأبحاث الجامعية والصناعية لبناء تعاون فكري بحيث تتدفق الابتكارات من الأفكار إلى نتائج بحثية قوية ونماذج ومنتجات الشركة. تشكل جامعة أركنساس وشركتي التكنولوجيا في فايتفيل، أوزارك للدوائر المتكاملة وأركنساس باور إلكترونيكس إنترناشيونال، الأساس لهذا النظام البيئي الابتكاري. رايثيون هي أيضًا شريك رئيسي.

تقوم شركة Ozark Integrated Circuits بتسويق تكنولوجيا الدوائر. تركز شركة Arkansas Power Electronics International على استخدام الدوائر في تطبيقات الطاقة.

تم منح تمويل البحث إلى مركز أركنساس لتصميم الدوائر، والذي يتكون من مختبرين، أحدهما تديره شركة Mantooth والآخر تديره شركة Di. يدعم مركز تصميم حلبات أركنساس مهمة المركز الوطني لنقل الطاقة الكهربائية الموثوق به التابع لجامعة أركنساس، والذي يتم تمويله كجزء من تركيز الحكومة الفيدرالية على البحث والتطوير في مجال الشبكات الذكية والتقنيات المتجددة. يعد المركز واحدًا من عدد قليل من مراكز الأبحاث الجامعية التي تبحث في الأنظمة الإلكترونية لجعل شبكة الكهرباء في البلاد أكثر موثوقية وكفاءة. قامت وزارة الطاقة الأمريكية بتمويل المركز منذ عام 2005 بسبب الخبرة البحثية للجامعة في مجال إلكترونيات الطاقة المتقدمة والتحقيق طويل الأمد في كربيد السيليكون. منتوث هو المدير التنفيذي للمركز.

تتخصص شركة Arkansas Power Electronics International في مجال الإلكترونيات المتقدمة وعالية الأداء لمجموعة متنوعة من العملاء والتطبيقات، بما في ذلك أسواق الدفاع والفضاء والمركبات الهجينة/الكهربائية. Ozark Integrated Circuits هي شركة تعمل في مجال أشباه الموصلات دوائر متكاملة للاستشعار عن بعد والتشغيل في ظل الظروف البيئية القاسية.