Polscy producenci i dystrybutorzy podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy

Droga do rozwoju i realizacji wielu wiążących się z przemysłem i energetyką wiedzie przez elektronizację, która obejmuje wszystkie elementy urządzeń, w tym także elementy wykonawcze, przełączniki, układy przekształtników energii, systemy zasilania i szereg innych miejsc do niedawna niedostępnych dla półprzewodników z przyczyn technicznych lub ekonomicznych. We wszystkich tych aplikacjach i zastosowaniach elementy mocy znajdują dzisiaj swoje naturalne miejsce pracy i spotykają się z aprobatą projektantów.

Rozwój rynku elementów dużej mocy można ocenić jako dobry, choć nie tak szybki jak w przypadku innych bardziej popularnych podzespołów. Różnica wynika z dużej trwałości nowych rozwiązań technicznych w zastosowaniach profesjonalnych, wieloletniego czasu eksploatacji urządzeń oraz tego, że przez cały czas środki, jakie możemy w warunkach krajowych przeznaczyć na inwestycje w nowoczesność nie są jeszcze tak duże jak, jest to w innych krajach rozwiniętych.

Trendy na rynku

Rys. 1. Wzrost obrotów dla poszczególnych firm biorących udział w raporcie w podziale na trzy grupy. Aż 45% ankietowanych firm zanotowało wzrost nieprzekraczający 10%.

Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy tworzą chłonny i stale rosnący segment rynku elektroniki, którego znaczenie w miarę upływu lat systematycznie rośnie. Popyt na elementy dużej mocy w dużym stopniu związany jest z rozwojem gospodarki i nowymi inwestycjami, przez co sytuację w ostatnich latach można uznać za dobrą, a lata przyszłe za perspektywiczne.

Dla elementów mocy postęp techniczny w mniejszym stopniu dotyczy miniaturyzacji, konstrukcji obudowy lub też spełnianych funkcji. Także od strony układowej konstrukcja stopnia mocy nie jest skomplikowana, przez co aktywność producentów w zakresie nowych wersji rozwija się w stronę lepszych parametrów maksymalnych oraz większego stopnia integracji.

Elementy mocy są wyposażane w dodatkowe obwody sterujące i zabezpieczające, dzięki czemu wykorzystanie tych komponentów w aplikacjach staje się łatwiejsze. Zintegrowane moduły mocy są dla konstruktorów użyteczną konstrukcją uwalniającą od wielu problemów, dlatego cieszą się one pełną akceptacją i rynek szybko rozwija się w kierunku ich maksymalnej integracji i dopasowania do aplikacji.

W wielu zastosowaniach w energetyce podzespoły mocy trzeba łączyć równolegle, dlatego nowe wersje komponentów o większej obciążalności dają szansę na to, że daną funkcje w układzie będzie można zrealizować mniejszą liczbą tych elementów. Producenci przykładają też wiele uwagi do ograniczenia strat mocy, co pozwala ograniczyć gabaryty niezbędnych radiatorów, wielkość obudów, zwiększyć stopień integracji i także ograniczyć cenę.

Do użytku wchodzą również nowe materiały półprzewodnikowe. W tych zastosowaniach alternatywą dla krzemu, stale zyskującą na rynkowym znaczeniu, są tranzystory i diody wykonane z węglika krzemu. Mogą one pracować w wysokich temperaturach oraz mają duże napięcie znamionowe. Podzespoły te trafiają do aplikacji w największym stopniu narażonych na czynniki środowiskowe.

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy

W warunkach krajowych rynek korzysta z rozwoju rynku światowego. Duże inwestycje przemysłowe w Chinach i Indiach powodują, że liczba producentów i dostępnych produktów przez cały czas rośnie, co skutkuje mniejszymi cenami, jak też większą różnorodnością techniczną.

Z drugiej strony silny popyt drenuje rynek i powoduje, że czasy dostaw stale się wydłużają. Rozwój rynku i dobra ogólna sytuacja gospodarcza powodują, że klienci zwracają też coraz większą uwagę na markę produktu oraz jego jakość, za którą gotowi są zapłacić więcej. Trwająca obecnie modernizacja w sektorze energetyki oraz czekająca nas i niestety cały czas odkładana poważna modernizacja kolejnictwa dają dodatkowe szanse na silny wzrost w przyszłości. Ważnym zjawiskiem jest także coraz powszechniejsze wykorzystanie modułów mocy w sprzęcie AGD i innym sprzęcie do sterowania silnikami.

Co obejmuje raport?

Trudno jednoznacznie wyznaczyć linię oddzielającą elementy dużej mocy od podzespołów ogólnego przeznaczenia, gdyż trudno postawić jakąkolwiek sensowną granicę zarówno po stronie napięć jak i prądów. Zmniejszająca się wartość napięcia zasilającego w cyfrowych układach elektronicznych powoduje, że tranzystory pracujące w niskonapięciowych zasilaczach impulsowych przewodzą dzisiaj prądy sięgające kilkudziesięciu amperów, ale mimo to nie uważa się ich za elementy dużej mocy. To samo dotyczy dopuszczalnego napięcia pracy lub maksymalnej mocy strat, które również nie są jednoznacznym kryterium, gdyż rosnąca sprawność komponentów nie zawsze definiuje tutaj proste zależności.

Dobrym przybliżeniem może być natomiast wielkość i masa elementu, gdyż z uwagi na montaż na radiatorze lub bloku chłodzenia wodnego, wykorzystanie śrubowych zacisków połączeniowych i dużą dopuszczalną moc strat, podzespoły te są duże i ciężkie. Dla potrzeb niniejszego opracowania można zatem próbować przyjąć, że tym razem zajmujemy się takimi komponentami, które przekraczają wielkością rozmiar TO-3 lub TO-216, a więc te największe obudowy dla tradycyjnych elementów półprzewodnikowych mocy.

Oferta rynku - podzespoły

Rys. 2. Dla 40% firm biznes związany z półprzewodnikami dużej mocy jest jedynie drobnym fragmentem biznesu o udziale poniżej 10%.

Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy obejmują zarówno szereg elementów dyskretnych, jak również funkcjonalne moduły o różnym stopniu złożoności, jeśli chodzi o strukturę wewnętrzną. Pierwsza grupa obejmuje przede wszystkim diody, tyrystory i triaki, które są podstawowym składnikiem prostowników w systemach zasilania prądem stałym w kolejnictwie, przemyśle i transporcie. Tyrystory i triaki wykorzystuje się w regulatorach oświetlenia, ogrzewania, urządzeniach przemysłowych takich jak zgrzewarki, spawarki, układach miękkiego rozruchu silników dużej mocy, urządzeniach zabezpieczających przez przepięciami.

Są one niezbędnym elementem prostowników przemysłowych przeznaczonych do ładowania baterii akumulatorów wykorzystywanych w przemyśle, telekomunikacji, w systemach zasilania awaryjnego dla central telefonicznych, a nawet w transporcie kolejowym i morskim. Diody i tyrystory są również niezbędnym i najważniejszym elementem systemów zasilających dla nadajników radiowych, systemów zasilania awaryjnego oraz układów napędowych dla silników elektrycznych dużej mocy na przykład w kolejnictwie.

Mimo prostoty liczba aplikacji gdzie są ona aplikowane jest na prawdę spora. Mostek prostowniczy wraz z tyrystorem lub triak jest też podstawowym elementem wykonawczym w przekaźnikach półprzewodnikowych dużej mocy, które są coraz powszechniej wykorzystywane w energetyce.

Większość diod i tyrystorów dużej mocy przeznaczona jest do pracy z napięciem o niskiej częstotliwości takiej, jaka jest w sieci energetycznej. Ale na rynku można też kupić wersje o dużej szybkości działania, które lepiej sprawdzają się w aplikacjach, w których kształt przebiegu napięcia odbiega od sinusoidalnego lub też takie, które wykorzystują większe częstotliwości, na przykład w lotnictwie lub wojsku (400Hz).

Maksymalny prąd przewodzenia typowych diod i tyrystorów mocy zawiera się w zakresie od kilkudziesięciu amperów do 1,5-2kA, a napięcie znamionowe sięga 1,5kV. Oczywiście wartości te dotyczą najbardziej typowych elementów, oferta rynku jest na tyle szeroka, że bez większego problemu można znaleźć podzespoły o większych możliwościach. Jako opcję można też wymienić tyrystory GTO, a więc takie, które można wyłączyć ze stanu przewodzenia sygnałem sterującym oraz wersje załączające się w fazie lub zerze sieci, które pozwalają ograniczyć wartość generowanych zaburzeń elektromagnetycznych w chwili włączania.

Ciekawie wygląda oferta rynku w zakresie tranzystorów mocy MOSFET oraz IGBT. Oprócz wersji standardowych dostępne są wykonania, które mają dodatkowe wyjście napięciowe o wartości proporcjonalnej do przewodzonego prądu lub nawet z wbudowanym kompletnym układem sterującym bramką wraz z obwodami zabezpieczającymi przed przeciążeniem. Elementy te nie są wprawdzie zbytnio popularne wśród konstruktorów niemniej warto pamiętać, że czasem mogą okazać się użyteczne.

Mimo znakomitych parametrów nowych opracowań tranzystorów MOSFET energetyka częściej korzysta z elementów IGBT. Mają one mniejsze straty mocy przy dużych napięciach znamionowych, co powoduje, że na rynku powoli zarysowuje się podział aplikacyjny, zgodnie z którym MOSFET-y częściej pojawiają się w zastosowaniach niskonapięciowych, do około 400V, a IGBT w przypadku napięć wyższych.