Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy. Polscy producenci i dystrybutorzy

Rynek podzespołów dużej mocy rozwija się w takt dużych inwestycji przemysłu energetycznego, transportu kolejowego, w rytm kolejnych modernizacji fabryk, czyli innymi słowy wraz z dużymi projektami, realizowanymi nierzadko jako wieloletnie plany finansowane z funduszy strukturalnych. Dostawcą dla przemysłu, automatyki i energetyki jest lub chce być wiele krajowych firm handlowych.

Konkurencja jest duża, ale niestety tempo rozwoju nie do końca daje się określić jako szybkie. W warunkach krajowych środki, jakie można przeznaczyć na inwestycje w nowoczesność, nie są jeszcze tak duże jak jest to w innych rozwiniętych krajach. Z jednej strony wszyscy zgadzają się, że w kolejnych latach przemysł energetyczny i kolejowy czeka wiele inwestycji, z drugiej widać, że stale oddala się to w czasie.

Nowe materiały i rozwój technologii

Rys. 1. Trendy technologiczne w podzespołach mocy i ich znaczenie w kształtowaniu nowych rozwiązań

Rozwój podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy odbywa się na skutek zjawisk o uniwersalnym charakterze, takich jak rosnąca sprawność, większa obciążalność i funkcjonalność komponentów. Trendy te stanowią naturalny kierunek rozwoju dla całej elektroniki, chociaż wiadomo, że w poszczególnych sektorach rynku znaczenie każdego z takich czynników prorozwojowych jest inne.

O tym, które zjawiska najsilniej rozwijają energoelektronikę, można dowiedzieć się z danych pokazanych na rysunku 1, ilustrującym wyniki przeprowadzonej przez redakcję ankiety wśród specjalistów z tej dziedziny. Za najważniejsze kryterium uznana została rosnąca sprawność podzespołów dużej mocy, pozwalająca zmniejszyć liczbę elementów wykonawczych i tym samym ograniczyć zajmowane miejsce w obudowie urządzenia.

Mniejsza liczba elementów to także oszczędność pieniędzy, prostsze sterowanie i serwisowanie. Wysoka sprawność to z kolei mniejsze koszty chłodzenia, zasilania, ale także większy potencjał modernizacyjny. Wiadomo, że starsze rozwiązania falowników, zasilaczy, przełączników mogą nierzadko pracować przez długie lata i charakteryzują się dużą niezawodnością.

W takiej sytuacji zmianę produktu na nowy mogą zapewnić tylko znacząco lepsze parametry, na przykład sprawności, które są w stanie przekonać firmy do opłacalności inwestycji. W podanym na rysunku 1 zestawieniu znaczenie prorozwojowe nowych materiałów półprzewodnikowych, a więc głównie węglika krzemu, wypadło najsłabiej, co niestety pośrednio wykazuje, jak wielki wpływ na rozwój energoelektroniki mają ceny.

SiC był reklamowany przez wiele lat jako następca krzemu w elektronice mocy, pozwalający na osiągnięcie wyższych napięć pracy, na rozszerzenie zakresu temperaturowego i poprawę sprawności. Dostępne dzisiaj na rynku diody, tyrystory, IGBT z węglika krzemu zapewniają średnio o 20-30% większą sprawność. Ich producentem są firmy takie jak Mitsubishi, IXYS, Cree, Sensitron, także Infineon.

Są też producenci, którzy specjalizują się wyłącznie w wytwarzaniu podzespołów mocy z SiC, na przykład Genesic. Ich większe napięcie pracy, które sięga nawet 6kV, daje możliwość bezpośredniego zasilania linii trakcyjnych na kolei. Jest to z pewnością cenna właściwość, ale ceny tranzystorów nadal odstraszają.

Energia odnawialna

Rys. 2. Struktura rynku półprzewodników dużej mocy w podziale na typy produktów. Podstawę ofert handlowych stanowią tyrystory i tranzystory IGBT, które tworzą blisko połowę rynku

Energia elektryczna jest coraz droższa, co sprzyja inwestycjom w technologie energooszczędne. Drugim czynnikiem sprzyjającym zainteresowaniu energią wiatrową i słoneczną są ponadto zmiany prawne poprawiające rentowność działania producentów energii odnawialnej, stymulujące rozwój rynku. Przykładem mogą być tutaj zmiany w przepisach nakładające na elektrownie obowiązek wykupienia pozwolenia na emisję CO₂, co przekłada się na wzrost zainteresowania technologiami energooszczędnymi, a w szczególności na zainteresowanie energetyką odnawialną.

W przypadku przemysłu i transportu zjawiska te sprowadzają się do zastępowania starych urządzeń i maszyn nowymi wersjami o większej sprawności lub do modernizacji starszego sprzętu w oparciu o najnowsze rozwiązania elektronicznych napędów, przełączników i sterowników. Podobne procesy dzieją się w elektrowniach i zakładach energetycznych, gdzie modernizuje się linie przesyłowe, rozdzielnie i elektrownie.

Koncerny energetyczne stawiają obecnie na rozwój firm wiatrowych, ponieważ w ten sposób unikają problemów z emisją dwutlenku węgla. Dodatkowo korzystają z dotacji unijnych na budowę farm, a potem dzięki certyfikatom za produkcję zielonej energii zarabiają na niej dwa razy więcej niż na produkcji energii z węgla. Uruchamiane w tym roku w Polsce nowe farmy wiatrowe są warte aż 3 mld złotych.

Większość takich inwestycji wykorzystuje złożone systemy konwersji mocy bazujące na złożonych sterownikach i wydajnych stopniach mocy zbudowanych właśnie z półprzewodników. W mniejszej skali, ale w podobny sposób, oddziaływają na rynek instalacje fotowoltaiczne, które zawsze wykorzystują jakiś inwerter dostarczający energię elektryczną o stałych parametrach, co pozwala na dołączenie instalacji do sieci.

Napędy silników

Rys. 3. Najważniejsze branże zaopatrujące się w podzespoły dużej mocy. Energetyka i przemysł to branże, które są strategicznym klientem dla tego sektora rynku

Silny impuls rozwojowy dla półprzewodników mocy tworzą także napędy silników. Od kilku lat w maszynach przemysłowych, na kolei, w sprzęcie AGD, systemach klimatyzacji, w motoryzacji i podobnych obszarach wykorzystuje się elektroniczne sterowniki umożliwiające płynną regulację obrotów, zmianę kierunku wirowania i zapewniające miękki rozruch.

Oprócz dużej funkcjonalności od strony działania silnika komponenty te umożliwiają osiągnięcie wysokiej sprawności napędów, która jest wymagana obecnie przez przepisy. Urządzenia te współpracują z silnikami indukcyjnymi asynchronicznymi i synchronicznymi, bazującymi na wirującym polu magnetycznym, a więc tymi, które są powszechnie stosowane w maszynach i urządzeniach przemysłowych, dla których do niedawna nie było dobrych pod względem sprawności pracy i skuteczności działania regulatorów obrotów.

Małe silniki o mocy kilkunastu lub kilkudziesięciu watów można było regulować poprzez zmianę wielkości napięcia zasilającego, co zmieniało tzw. poślizg wirnika w stosunku do wirującego pola magnetycznego. Duże jednostki musiały mieć w tym celu przełączane uzwojenia, co było niewygodne i ograniczało liczbę biegów silnika do co najwyżej kilku.

Obie te metody obarczone są poważnymi wadami, dlatego rynek napędów, które w sposób elektroniczny kształtują moc i szybkość wirowania pola magnetycznego w stojanie silnika, rozwija się dzisiaj bardzo dynamicznie i tym samym tworzy jeden z ważniejszych strumieni popytu na półprzewodniki dużej mocy.

Regulacja fazowa kontra PWM

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy

Sukces rynkowy falowników przeznaczonych do zasilania silników to także przykład ważnych, aczkolwiek słabo dostrzeganych, zmian technologicznych w energoelektronice, które zapowiadają powolny zmierzch sterowania fazowego. Najbardziej widoczne jest to w zakresie aplikacji średniej mocy, ale wraz z nowymi podzespołami o coraz większej obciążalności i nowymi materiałami półprzewodnikowymi, takimi jak węglik krzemu, trend ten będzie zapewne w przyszłości przenosić się w stronę większych mocy.

Jeszcze kilka lat temu regulatory, soft starty i przełączniki dużej mocy, które uruchamiały na przykład proces zgrzewania, a nawet zasilacze, budowane były praktycznie wyłącznie za pomocą tyrystorów i z konieczności opierały się na fazowej regulacji mocy, czyli wycinaniu początkowego fragmentu sinusoidy napięcia zasilającego. Metoda ta jest kłopotliwa, gdyż nie zapewnia dużej precyzji regulacji, płynności lub szybkości reakcji na zdarzenia.

Zmusza też do budowania stopni mocy z dużym zapasem parametrów. Tam, gdzie się da, wykorzystuje się obecnie raczej tranzystory IGBT lub MOSFET, które zapewniają większe możliwości scalania i tym samym zapewniają możliwość równoległego łączenia bloków mocy. W stosunku do tyrystorów ich sterowanie jest prostsze i wymaga mniejszej energii. Niemniej najważniejsze, że są to elementy znacznie szybsze, pozwalające załączać napięcie do obciążenia z kilohercową szybkością za pomocą modulacji PWM.

Oprócz wielu możliwości w zakresie sterowania pozwala to ograniczyć wielkość filtrów przeciwzakłóceniowych i lepiej kontrolować stany nieustalone. Oczywiście parametry najsilniejszych tyrystorów znacznie przekraczają to, co oferują IGBT, ale w miarę upływu czasu to się zmienia. Obciążalność pojedynczego popularnego tyrystora sięga 1500A na element, w przypadku typowego IGBT można przyjąć, że jest to do 100A na tranzystor, oczywiście dla popularnych wersji.

Różnica niewątpliwie jest, ale nie jest to przepaść jak kiedyś. Gdy weźmiemy pod uwagę ceny tych elementów przeliczone na amper, to okazuje się, że są one mniej więcej takie same. Przekonuje to, że wybór typu elementu przełączającego coraz częściej nie ma charakteru ekonomicznego, co sprzyja opisanym zmianom.