Nowoczesne rozwiązania zasilające i sterujące bazujące na podzespołach półprzewodnikowych dużej mocy, jak na przykład falowniki, konwertery i przetwornice, mają też niewielkie rozmiary, dzięki czemu dają się łatwo integrować w maszynach i urządzeniach. W energoelektronice liczy się ponadto wysoka funkcjonalność, która na przykład w napędach silników jest równoważna zapewnieniu płynności działania, możliwości zdalnej kontroli i sterowania. Jest to po prostu nowoczesność.
Nietrudno zauważyć, że większość innowacji we współczesnej technice bazuje na elektronice i co więcej z roku na rok stopień elektronizacji urządzeń się zwiększa. Trend ten dotyczy wszystkich sektorów rynku, w tym także tych, gdzie napięcia są wysokie, a prądy duże. Elektronizacja energetyki przynosi wiele widowiskowych korzyści, dając urządzenia mniejsze, bardziej sprawne i funkcjonalne od tego, co było dostępne jeszcze dekadę temu.
W Polsce 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 duża część krajowych firm handlowych. W kolejnych latach drożejąca energia elektryczna, wymagania jakościowe, jakie stawia się przed współczesnymi aplikacjami, zapewnią też niezłe perspektywy rozwojowe na kolejne lata, bo zainteresowanie nowymi, energooszczędnymi technologami będzie się zwiększać.
Energoelektronika, czyli problem z kategoryzacją
Granice napięcia, prądu lub mocy, od których zaczyna się energoelektronika, nigdy nie były i nie są jasno określone. Na dodatek można powiedzieć, że stale się przesuwają w kierunku większych wartości. Dawniej o przynależności do tytułowego obszaru można było próbować wnioskować na podstawie obudów komponentów, bo te do urządzeń dużej mocy były wyraźnie większe i ich montaż opierał się na wykorzystaniu konektorów lub śrub, a nie lutowania. Ale obecnie przy wielu innowacjach w zakresie komponentów SMD, dostępności płytek drukowanych z grubą warstwą miedzi do aplikacji wysokoprądowych, miniaturowych złączy wysokoprądowych, to, co osiąga się w klasycznych rozwiązaniach PCBA w zakresie mocy wyjściowej, liczy się już w kilowatach. Gdzie zatem zaczyna się energoelektronika? Chyba tam, gdzie napięcie przekracza to, co zapewnia sieć jednofazowa.
Półprzewodniki, czyli głównie tranzystory
Kluczowymi podzespołami elektroniki dużej mocy są półprzewodniki, a więc głównie diody i tranzystory. Znaczenie tyrystorów wyraźnie maleje, bo postęp technologiczny w zakresie tranzystorów mocy jest tak imponująco szybki, że do nowych projektów tyrystorów się już praktycznie nie wykorzystuje. Mają one zbyt duże straty mocy i nie dają takiej swobody komutacji prądu jak tranzystor.
Jeszcze dekadę temu regulatory, soft starty i przełączniki dużej mocy, które uruchamiały na przykład proces zgrzewania, budowane były z reguły za pomocą tyrystorów i przez to z konieczności opierały się na fazowej regulacji mocy. Dzisiaj tam, gdzie się tylko da, wykorzystuje się tranzystory IGBT lub MOSFET, które dają 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 jest to, że są to elementy znacznie szybsze, a więc pozwalające załączać napięcie do obciążenia z kilohercową szybkością. Oprócz wielu możliwości w zakresie sterowania umożliwia to redukcję wielkości filtrów przeciwzakłóceniowych i pozwala lepiej kontrolować stany nieustalone. Oczywiście parametry najsilniejszych tyrystorów nadal znacznie przekraczają to, co oferują IGBT, ale gdy się policzy cały koszt urządzenia, te różnice są już zwykle niewielkie.
MOSFET i IGBT
Z wymienionych powodów we współczesnej elektronice mocy wykorzystuje się praktycznie tylko tranzystory MOSFET i IGBT. Tranzystory bipolarne przegrywają z nimi w zakresie wymaganej mocy sterującej, która jest za duża, bo ich wzmocnienie prądowe przy dużym obciążeniu jest niewielkie.
MOSFET-y mają bardzo małe straty związanie z przewodzeniem, a więc niską rezystancję kanału w stanie włączenia dla wersji o małym napięciu znamionowym (do ok. 50 V). W elementach na wyższe napięcia, do 800 V, rezystancja kanału w stanie przewodzenia jest już niestety znacząco większa. Stąd najczęściej MOSFET-y są stosowane w obwodach niskonapięciowych, a w aplikacjach zasilanych z wyprostowanego napięcia sieci używane są jedynie w aplikacjach małej i średniej mocy wyjściowej.
Z kolei tranzystory IGBT są domeną aplikacji o wyższym napięciu zasilania, gdyż zawarty w ich strukturze tranzystor bipolarny jako element wyjściowy ma przy dużych prądach obciążenia i wysokich napięciach znamionowych lepsze parametry związane ze stratami na przewodzenie (niewielkie napięcie nasycenia).
W takim zakresie MOSFET-y mają już wyraźnie gorsze parametry, np. RDS(ON) rzędu pojedynczych omów. Dla układów dużej mocy bywa to dyskwalifikujące, natomiast bez problemu udaje się nabyć znakomite IGBT na napięcie 1–1,5 kV. Innymi słowy, w zakresie półprzewodników mocy istnieje coraz bardziej wyraźny podział aplikacyjny rynku wyznaczany przez najlepsze zakresy parametrów elementów mocy.
Komponenty SiC i GaN
Z pewnością półprzewodniki z węglika krzemu nie są już na rynku nowością, ale faktem jest, że w ostatnich pięciu latach ich popularność bardzo się zwiększyła. Przed 2010 rokiem tylko firma Cree dostarczała na rynek materiały podłożowe z SiC. Obecnie, głównie za sprawą znacznych inwestycji producentów półprzewodników, takich jak m.in. Cree, Infineon, Rohm, ON Semi, Littelfuse oraz ST Micro, dostępność się znacznie poprawiła. W efekcie od paru lat w wielu zastosowaniach SiC stanowią już rzeczywistą alternatywę dla elementów krzemowych i to mimo, że nadal są droższe. Można też liczyć, że ceny takich tranzystorów niedługo spadną, bo rynek materiałów podłożowych z węglika krzemu jest aktualnie w fazie transformacji z krążków 4-calowych na 6-calowe i jest na nim aktywnych coraz więcej producentów. Większa powierzchnia płytek poprawi też wydajność produkcji takich podzespołów, bo na razie przy użyciu krążków 4-calowych producenci mają za małe moce wytwórcze i nie nadążają z produkcją w stosunku do rynkowego zapotrzebowania, np. ze strony rynku energii odnawialnej.
Dobre parametry elektryczne tranzystorów z SiC zapewnione są nawet w wysokich temperaturach, co ułatwia budowę konwerterów i ogranicza nakłady wymagane do zapewnienia chłodzenia. Wysoka temperatura dopuszczalna złącza jest tutaj o 25–30º większa niż dla półprzewodników krzemowych. Pozwala to na zmniejszenie powierzchni wymaganych radiatorów lub wydajności systemu chłodzenia. Nierzadko też przejście na elementy z SiC umożliwia rezygnację z chłodzenia wymuszonego i zastąpienie go konwekcyjnym. Co więcej, tranzystory te są w stanie pracować przy 2–5 razy wyższych częstotliwościach kluczowania, co pozwala na redukcję wymiarów elementów magnetycznych i pojemności. Niewielkie prądy zerowe nawet w wysokich temperaturach zapewniają stabilne działanie i dużą niezawodność, co widać właśnie najbardziej w tych ekstremalnie trudnych warunkach otoczenia i zasilania.
Typowy MOSFET SiC pozwala utrzymać w ryzach straty mocy przy częstotliwościach rzędu 300 kHz, prądach 100 A, a więc tam, gdzie krzem się już "nie wyrabia". SiC pozwala też na działanie z wysokim napięciem przewyższającym 1 kV przy niskiej RDS(ON) poniżej 100 mΩ dla 1,2 kV. Jeśli chodzi o tranzystory z azotku galu GaN to oferują one jeszcze lepsze parametry w zakresie przełączania z dużą częstotliwością, nawet 1 MHz przy dużym poziomie mocy.
Napędy silników, czyli falowniki
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 takich funkcji użytkowych falowniki umożliwiają osiągnięcie wysokiej sprawności energetycznej, która jest wymagana obecnie przez przepisy unijne. Urządzenia te współpracują z silnikami indukcyjnymi, 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. 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 elektronicznie kształtują moc i szybkość wirowania pola magnetycznego w silniku, rozwija się dzisiaj bardzo dynamicznie.
Energia odnawialna
Energia elektryczna jest coraz droższa, co sprzyja inwestycjom w technologie energooszczędne. Częścią tego procesu są technologie energii odnawialnej. Napięcie generowane przez źródła nie nadaje się w 99% przypadków do bezpośredniego wykorzystania praktycznego, bo waha się w dużym zakresie oraz nieliniowo zmienia się wraz z oświetleniem i siłą wiatru i obciążeniem. Z uwagi na powyższe 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, oddziałują na rynek komponentów mocy instalacje fotowoltaiczne, które zawsze wykorzystują jakiś inwerter dostarczający energię elektryczną o stałych parametrach, co pozwala na dołączenie instalacji do sieci. Do tego są potrzebne elementy dużej mocy. Poza tym w tym obszarze są magazyny energii, takie jak akumulatory i superkondensatory, pozwalające przechwycić nadwyżkę mocy wytwarzanej nad zużywaną, wspomagające chwile szczytowych poborów mocy. Gdy instalacja nie jest połączona z siecią energetyczną, akumulator jest praktycznie niezbędny i od jego pojemności i niezawodności zależy w dużym stopniu dostępność energii zasilającej. Obsługa takich zadań wymaga dwukierunkowego (złożonego) falownika.
Miniaturyzacja, sprawność i odprowadzanie ciepła
Wiele aplikacji elektroniki mocy pracuje dzisiaj z napięciami przekraczającymi 500 V i prądami wykraczającymi poza 100 A. Takie granice wyznaczają aplikacje w transporcie szynowym, motoryzacji elektrycznej oraz w sprzęcie przemysłowym. Energetyka podane wartości mnoży jeszcze nawet kilkukrotnie, a maksymalną obciążalność komponentów zwiększa, łącząc je szeregowo i równolegle w stosy. Niemniej bez względu na to, urządzenia muszą być możliwie niewielkie. Mimo że w wielu instalacjach miejsce nie jest problemem, miniaturyzacja jest ważnym trendem w energoelektronice, bo pozwala na większą integrację, lepszą swobodę aplikacyjną oraz otwiera nowe możliwości w zakresie zastosowań.
Wiadomo, że do miniaturyzacji konieczne jest zwiększenie sprawności konwersji energii elektrycznej, stąd w tym temacie nieustannie pojawiają się na rynku ważne innowacje. Lepsze parametry komutacyjne podzespołów dużej mocy zapewniają większą sprawność, pozwalając zmniejszyć liczbę elementów wykonawczych i tym samym ograniczyć zajmowane miejsce w obudowie urządzenia. Z kolei mniejsza liczba elementów to także oszczędność pieniędzy, prostsze sterowanie i serwisowanie. Wysoka sprawność to też mniejsze koszty chłodzenia, zasilania, ale także lepszy 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. Dlatego w temacie sprawności wiele się dzieje. Równolegle do pojawiających się na rynku nowych podzespołów półprzewodnikowych o coraz mniejszych stratach komutacyjnych warto dostrzec trend związany z zarządzaniem ciepłem. Sprawnie działający mechanizm jego odprowadzania sprzyja miniaturyzacji, dlatego wiele innowacji nie kończy się na strukturach półprzewodnikowych, lecz dotyczy także obudów komponentów. Najwięcej zmian w obszarze obudów jest w motoryzacji, ale jak to zwykle bywa, z czasem dobre pomysły przebijają się do innych branż i zastosowań.
Moduły mocy
Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy obejmują zarówno szereg elementów dyskretnych, jak i funkcjonalne moduły o różnym stopniu złożoności, jeśli chodzi o strukturę wewnętrzną. Są one przeznaczone do układów półmostkowych lub pełnomostkowych, w wersji jednofazowej i trójfazowej. Najczęściej moduły zawierają 6 tranzystorów mocy, ale często umieszcza się w nich też prostownik, diody usprawniające oraz zabezpieczające. Takie komponenty znajdują się w ofertach wielu producentów półprzewodników i stanowią bazę konstrukcyjną większości napędów, regulatorów i zasilaczy. Występują one w wielu wersjach o różnej topologii, pozwalając zrealizować w prosty sposób stopień mocy. Modułowe półprzewodniki mocy zdobyły rynek również tym, że stanowią zwartą konstrukcję o dobrych parametrach w zakresie odprowadzania ciepła, przy jednoczesnym zapewnieniu izolacji galwanicznej od radiatora. Półprzewodniki mocy to ponadto elementy, które zawsze współpracują z radiatorem lub innym systemem odprowadzania ciepła oraz w ogromnej większości zasilane są wysokimi napięciami, przekraczającymi 350 V. Dlatego ułatwienia związane z izolacją galwaniczną poszczególnych elementów, zapewniające bezproblemowy montaż na metalowym radiatorze, są jednym z najważniejszych źródeł przewagi rynkowej modułów nad elementami dyskretnymi.
Nie tylko półprzewodniki
Poza półprzewodnikami energoelektronika łączy w całość wiele innych specjalizowanych produktów związanych z odprowadzaniem ciepła, jak radiatory, wentylatory, bloki chłodzące lub systemy chłodzenia wodnego. W grupie tej są także transformatory, filtry i inne części znajdujące się w torze dużej mocy. To również kable i złącza przeznaczone do prądów stałych o dużym natężeniu i pracy w trudnych warunkach środowiskowych, przekaźniki (styczniki) i urządzenia zabezpieczające umożliwiające podłączanie lub odłączanie gałęzi ogniw, liczniki energii/bezpieczniki.
Ważnym produktem są też specjalizowane sterowniki tranzystorów zapewniające izolację galwaniczną, poziomy napięć wymagane do sterowania bramką i dużą wydajność prądową umożliwiającą sprawną komutację. Są one pomostem między warstwą sygnałową aplikacji (np. mikrokontrolerem) oraz blokiem mocy.
Kłopoty z dostępnością podzespołów
Gwałtowny rozwój elektrycznej motoryzacji oraz aplikacji związanych z energią odnawialną powoduje, że popyt na nowoczesne półprzewodniki mocy jest bardzo duży. Przy ograniczonej podaży na rynku tworzą się kolejki i czasy dostaw się zwiększają. Zjawisko to ogranicza trochę tempo rozwoju rynku, bo projektanci muszą brać pod uwagę dostępność tranzystorów mocy. Zapewne kolejki są największym problemem dla tych, którzy tworzą aplikacje wytwarzane w średnich seriach, a więc za małych, aby negocjować dostawy na najwyższym szczeblu oraz za dużych, aby po prostu kupić potrzebną ilość u detalisty. Takie potrzeby ma właśnie wielu krajowych producentów.
Zestawienie tabelaryczne
krajowych dostawców komponentów do systemów dużej mocy. Poszczególne wiersze przybliżają szczegóły oferty w zakresie elementów dyskretnych, modułów i elementów specjalizowanych. Podobnie jak w przypadku wielu innych elementów elektronicznych, tak samo i w omawianej tematyce liczba produktów dostępnych na rynku jest duża i niemożliwa do czytelnego scharakteryzowania za pomocą niewielkiej tabeli. Wiele obudów, sposobów montażu, chłodzenia, konfiguracji, parametrów elektryczne oraz obszarów zastosowań tworzy tysiące dostępnych kombinacji. Dlatego w tabeli ograniczamy się jedynie do wymienienia, że dana grupa elementów jest dostępna lub nie po to, aby wesprzeć pierwszy etap poszukiwań do dalszych działań. W tabeli 2 podane zostały dane kontaktowe do wszystkich firm, które nadesłały wypełnione ankiety oraz wymieniono marki produktów znajdujące się w ofercie danej firmy.
