W podzespołach mocy postęp dotyczy zarówno miniaturyzacji, konstrukcji obudowy, jak też większej funkcjonalności. Aktywność producentów kieruje się w stronę poprawy parametrów maksymalnych oraz zapewnienia większego stopnia integracji, a także nowych obudów zapewniających skuteczne odprowadzanie ciepła. Elementy mocy są wyposażane w dodatkowe obwody sterujące i zabezpieczające, dzięki czemu ich wykorzystanie staje się łatwiejsze i poprawia się niezawodność. W wielu zastosowaniach podzespoły mocy trzeba łączyć szeregowo lub równolegle, dlatego nowe wersje o większej obciążalności i dopuszczalnych parametrach dają szansę na to, że daną funkcję w układzie będzie można zrealizować mniejszą liczbą części. Producenci przykładają też wiele wagi do ograniczenia strat mocy, co ogranicza gabaryty radiatorów, wielkość obudów, zwiększać stopień integracji i także zmniejsza cenę.
Co to znaczy "duża moc"?
Wartości napięcia, prądu lub mocy, od której zaczyna się "duża moc", w elektronice nigdy nie były i dzisiaj też nie są jasno określone. Stale się przesuwają w kierunku większych wartości. W przypadku systemów zasilanych napięciem stałym o niskiej wartości płynące prądy sięgają kilkadziesiąt amperów nawet w niewielkich systemach cyfrowych, np. 1,8 V×30 A. Podobnie jest w mniejszych urządzeniach mobilnych zasilanych z akumulatorów. Tutaj także przy napięciach do ok. 20 V kilkudziesięcioamperowe prądy nie są postrzegane jako duże, ale to już może oznaczać moc rzędu 500 W. Jeszcze wyższe napięcie stałe panuje w dużym przemysłowym sprzęcie mobilnym, samochodach hybrydowych, gdzie silniki elektryczne są zasilane napięciem ok. 200 V, a ich moc jest rzędu kilowata. Dalej są instalacje PV, gdzie napięcia stałe są jeszcze większe, a moce zaczynają się od 5 kW. Można zatem założyć, że dla instalacji zasilanych napięciem stałym "duża moc" zaczyna się od 500–1000 W. W przypadku sprzętu zasilanego z sieci o dużej mocy mówi się zwykle tam, gdzie w grę wchodzi zasilanie z sieci trójfazowej, a więc powyżej 2 kW.
Tak postawione granice cały czas są dość płynne i trzeba mieć świadomość, że inaczej na dużą moc patrzy energetyk, a inaczej inżynier zajmujący się sprzętem konsumenckim.
Tyrystory mają swoją niszę
Najbardziej istotną i wartościową częścią tej grupy produktowej są półprzewodniki: tranzystory IGBT i MOSFET, tyrystory oraz diody w postaci dyskretnej oraz jako moduły o różnym stopniu układowej złożoności. Diody i tyrystory cały czas są domeną prostowników w systemach zasilania prądem stałym w transporcie szynowym, energetyce i przemyśle przetwórczym, w urządzeniach takich jak zgrzewarki, spawarki w układach miękkiego rozruchu silników bardzo dużej mocy, urządzeniach zabezpieczających przed przepięciami. Diody i tyrystory są również niezbędnym i najważniejszym elementem systemów zasilających dla nadajników radiowych, systemów zasilania awaryjnego oraz układów napędowych dla silników elektrycznych kilowatowej mocy, na przykład w kolejnictwie. Diody i tyrystory krzemowe mocy pracują z prądami sięgającymi kiloamperów i napięciami ponad 1 kV (dla większych napięć są łączone w stosy szeregowe) i cały czas w takich zakresach nie mają realnej konkurencji.
Tranzystory krzemowe
Tranzystory mocy MOSFET dostępne są w wersjach niskonapięciowych (30– 60 V), średnionapięciowych (100–400 V) i wysokonapięciowych (600–800 V). 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 400 V, a IGBT w przypadku napięć wyższych.
Nowe materiały półprzewodnikowe
Wiele nowych rozwiązań z obszaru konwersji mocy elektrycznej wiąże się z wykorzystaniem podzespołów na bazie nowych materiałów półprzewodnikowych, takich jak azotek galu (GaN) lub węglik krzemu (SiC). Elementy takie używane są w modułach inwerterów, czyli w przetwornicy odpowiedzialnej za konwersję prądu stałego dostarczanego z akumulatora na prąd przemienny wymagany do pracy silnika elektrycznego lub przekształcenie napięcia sieci energetycznej w trójfazowe napięcie przemienne o parametrach dobranych do zasilania silnika. Sprawność i wydajność falownika mają kluczowy wpływ na istotne parametry pojazdu, jak zasięg, czas ładowania oraz żywotność baterii, a w przypadku zasilania z sieci na koszt posiadania urządzenia lub maszyny. Dlatego w takich zastosowaniach, gdzie czas eksploatacji liczy się w wielu latach, elementy te dają duże oszczędności.
Falowniki budowane są z użyciem tranzystorów krzemowych MOSFET oraz IGBT, ale w wielu aplikacjach pracują one blisko maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy. Często też elementy te muszą być łączone równolegle dla zwiększenia obciążalności. Istnieje zatem bardzo wysokie prawdopodobieństwo, że technologia ta nie będzie w stanie sprostać wymaganiom stawianym następnym generacjom pojazdów i maszyn, gdyż obsługa coraz większych mocy stanie się problematyczna.
IGBT oraz MOSFET-y z powodu swoich stosunkowo dużych rozmiarów struktury mają kłopoty z komutacją z wysoką częstotliwością (straty komutacyjne), które ograniczają też maksymalną dopuszczalną częstotliwość pracy inwertera. Takie limity i ograniczenia charakterystyczne dla krzemu mogą zostać ominięte poprzez wykorzystanie półprzewodników szerokopasmowych. Mogą pracować w wyższych temperaturach, przy wyższych napięciach oraz częstotliwościach, redukując straty mocy w układach konwersji zasilania. Mają też wysoką wytrzymałość elektryczną, przekładającą się na znacząco wyższą wartość napięcia przebicia niż w przypadku tranzystora krzemowego o podobnych rozmiarach. Pozwala to na tworzenie układów o mniejszych niż w przypadku krzemu wymiarach, zachowując przy tym pożądane cechy elektryczne. Mniejszy rozmiar przekłada się zaś na niższą wartość pojemności wymaganą do przeładowania w procesie przełączania, a zatem krótszy czas przełączania i wyższą maksymalną częstotliwość pracy.
Tranzystory GaN mają o połowę niższą wartość rezystancji włączenia RDS(ON) niż w strukturach krzemowych, to zaś oznacza dwukrotnie mniejsze straty przewodzenia. W związku z tym zmniejsza się również ilość generowanej podczas pracy układy energii cieplnej, możliwe jest uproszczenie konstrukcji systemu chłodzenia.
GaN-y świetnie sprawdzają się w pracy z napięciami dochodzącymi do 1 kV, zaś SiC-i dla napięć jeszcze większych. Te zalety są oczywiście okupione wyższą ceną, niemniej całkowity koszt systemu może być utrzymany w ryzach dzięki uproszczeniu i redukcji rozmiaru pozostałych komponentów – np. radiatorów, kondensatorów czy elementów magnetycznych.
Jedyny problem to ograniczona dostępność takich elementów, co jest wynikiem małej podaży oraz dużego popytu ze strony elektrycznej motoryzacji. Rynek cały czas czeka na tanie tranzystory GaN oraz na ich dobrą dostępność.
Utylitarne moduły mocy
Poza podzespołami dyskretnymi ważną częścią rynku półprzewodników mocy są moduły, zawierające typowo 4–6 tranzystorów dużej mocy, połączone tak, aby tworzyły układ mostka. W modułach umieszcza się też prostownik, diody usprawniające oraz zabezpieczające, czujnik temperatury. Czasem pojawia się dodatkowy tranzystor do realizacji korekcji współczynnika mocy. Takie komponenty znajdują się w ofertach wielu producentów półprzewodników i stanowią bazę konstrukcyjną większości falowników napędów i regulatorów. Moduły stanową zwartą konstrukcję o dobrych parametrach w zakresie odprowadzania ciepła, przy jednoczesnym zapewnieniu izolacji galwanicznej od radiatora. Zapewniają łatwy montaż i sparowane elementy, pozwalają na wygodne połączenie (śruby lub konektory) i są dużo tańsze od rozwiązania na elementach dyskretnych.
Nie tylko półprzewodniki
Poza półprzewodnikami elektronika dużych mocy 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 przeciwzakłóceniowe i inne części znajdujące się w takich urządzeniach. 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. Cały czas na znaczeniu zyskują też superkondensatory.
Znaczenie tych komponentów uwypukla elektromobilność, bo w takich aplikacjach zwykle typowym problemem jest zapewnienie szybkiego ładowania akumulatora dużym prądem, a więc z użyciem ładowarki dużej mocy, kabli chłodzonych cieczą, złączy zdolnych do pracy przy wysokim napięciu stałym i podobnych.
Trudności z dostępnością
O trudnościach z kupnem podzespołów słyszeli chyba już wszyscy, bo wraz z kolejnymi przestojami u producentów samochodów temat ten zrobił się ważny także dla mediów. Do niedawna 26 tygodni, czyli pół roku, uznawane było za terminy długie, jeszcze parę miesięcy temu były to 52 tygodnie, a teraz okazuje się, że na kluczowe komponenty, takie jak mikroprocesory i mikrokontrolery, czeka się jeszcze dłużej. W przypadku półprzewodników mocy czasy oczekiwania podawane przez organizację ECIA są trochę krótsze niż dla nowoczesnych układów cyfrowych, ale nadal długie.
"DigiTimes" podaje, że czasy dostaw krzemowych MOSFET-ów mocy zwiększyły się z 2 do 4–5 miesięcy, a ceny wzrosły o około 15–30% w 2021 r., głównie w 4. kwartale. Dla wybranych elementów, których aktualnie nie ma na stanie, czasy dostaw sięgają 65 tygodni, a w skrajnych przypadkach w ogóle nie są specyfikowane ("brak możliwości dostawy").
Lepiej jest w elementach pasywnych, komponentach związanych z chłodzeniem i złączach, niemniej nie rozwiązuje to problemu, bo i tak trzeba czekać. Niestety alokacja trwa już od miesięcy, a jej skutki dotykają wszystkich, bo nie ma magazynu, który by zapewnił dostawy w tak długim okresie.
W wielu przypadkach kupowanie podzespołów elektronicznych zmieniło się w ostatnich miesiącach w zdobywanie, a to oznacza mnóstwo problemów z dublowaniem zamówień, spekulacją, pojawieniem się na rynku elementów niepełnowartościowych. Zagrożenie ze strony podrabianych podzespołów zawsze się zwiększa w czasach, gdy na rynku mamy trudności z zaopatrzeniem. Widmo przestojów w produkcji, opóźnień w realizacji projektu, groźba niedotrzymania warunków umowy oraz inne podobne zjawiska prowadzą do wzrostu presji na dział zakupów i niestety zwiększają finalnie ryzyko trafienia na bubel. Zdesperowani klienci na skutek braku podaży szukają też elementów w przypadkowych źródłach dostaw, w tym u niesprawdzonych sprzedawców azjatyckich. Takie okazjonalne zakupy mogą skończyć się problemami jakościowymi.
Wzrost cen jest kolejnym problemem
Braki oznaczają coraz wyższe koszty komponentów. To oczywista zależność, która jest dzisiaj dodatkowym problemem dla rynku dystrybucji. Ceny podzespołów zwiększają się na skutek splotu wielu czynników takich jak wzrost kosztów surowców, transportu, kosztów pracy, na skutek dużej infl acji pojawiającej się przy okazji tłumienia skutków pandemii a także tego, że duży popyt rynku pozwala na podwyżki. Ceny poszukiwanych, zaawansowanych elementów podwoiły się, a spekulanci oferują niektóre pozycje nawet 7–8-krotnie drożej niż 2 lata temu. To oczywiście są skrajne przypadki, niemniej oddające to, czym dzisiaj żyje branża. Według "DigiTimes" producenci rozważają obecnie dalsze podwyżki cen w I kwartale w zależności od podaży i popytu, kosztów i warunków klientów. Jednocześnie planują również eliminację wąskich gardeł produkcyjnych i unowocześnianie technologii w celu zwiększenia zdolności produkcyjnych.
Przed nami zapewne są kolejne podwyżki wywołane drożejącą energią (prąd i gaz) dla firm. W tym roku skok cen jest wyjątkowo spektakularny.
Poza cenami, negatywnie na rynek wpływa też niestabilna sytuacja u inwestorów przejawiająca się przesunięciami terminów lub rezygnacją z inwestycji. Niestety fakty są takie, że wzrost cen materiałów, kosztów pracy i mediów zmusza do przeliczenia opłacalności wielu inwestycji i projektów.
Napędy silników i inwertery solarne
Impuls rozwojowy dla komponentów dużej mocy tworzą także napędy silników wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych. Są to falowniki ze sterownikami umożliwiającymi płynną regulację obrotów, zmianę kierunku wirowania i miękki rozruch. Falowniki takie generują na wyjściu trójfazowe napięcie, które zasila bezpośrednio uzwojenia silnika indukcyjnego (asynchronicznego i synchronicznego) i mają wysoką sprawność. Falownik może być zasilany z sieci jednofazowej lub trójfazowej (w zależności od mocy). Napięcie to jest prostowane a następnie falowane, czyli zamieniane na przemienne napięcie trójfazowe o regulowanej częstotliwości.
Podobną zasadę działania mają inwertery solarne. W tym przypadku stałe napięcie dostarczane przez panele PV jest zamieniane na przemienne napięcie (jedno- lub trójfazowe), o parametrach identycznych jak to w sieci. Zgodność częstotliwości, fazy i wartości napięcia wyjściowego inwertera solarnego umożliwia oddawanie energii do sieci energetycznej. Cechą falowników solarnych jest to, że stałe napięcie wejściowe dostarczane przez ogniwa (panele) PV może zmieniać się w szerokich granicach od kilkunastu do kilkuset woltów.
Miniaturyzacja
Wiele aplikacji elektroniki mocy pracuje dzisiaj z napięciami przekraczającymi 500 V i prądami wykraczającymi poza 100 A, czyli mocą sięgającą 10 kW. Takie granice wyznaczają aplikacje w transporcie szynowym, motoryzacji elektrycznej oraz w sprzęcie przemysłowym. Bez względu na to, współczesne urządzenia muszą być możliwie nieduże. Wprawdzie w instalacjach dostępność miejsca nie jest zwykle problemem, jednak miniaturyzacja jest ważnym trendem w energoelektronice, bo pozwala na większą integrację, lepszą swobodę aplikacyjną oraz otwiera nowe możliwości w zakresie zastosowań. Budowane w oparciu o podzespoły mocy falowniki, zasilacze, ładowarki mają uniwersalną konstrukcję i mogą być aplikowane w różnych systemach. Mniejszy sprzęt ma niewątpliwie szerszy zakres takich możliwości.
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 (np. SiC i GaN) 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.
Dla miniaturyzacji istotne są też zagadnienia związane z odprowadzaniem ciepła. Sprawne chłodzenie sprzyja miniaturyzacji, dlatego wiele innowacji nie kończy się na strukturach półprzewodnikowych, ale dotyczy także obudów komponentów. Wiele nowych rozwiązań półprzewodników mocy ma specjalnie zaprojektowane obudowy pod kątem aplikacyjnym, tak aby można było osiągnąć wysoki stopień integracji i dobre odprowadzanie ciepła. Takie zjawiska są charakterystyczne głównie dla branży motoryzacyjnej oraz wybranych rynków półprofesjonalnych, np. napędów silników BLDC w sprężarkach klimatyzatorów. W takim miejscu silnik, falownik i sterownik są zintegrowane w formie jednego komponentu.
Przegląd ofert w tabeli
W tabeli 1 pokazano przegląd ofert krajowych dostawców komponentów do systemów dużej mocy. Poszczególne wiersze przybliżają szczegóły oferty w zakresie elementów dyskretnych, modułów i elementów specjalizowanych. W tabeli 2 podane zostały dane kontaktowe do wszystkich firm, które nadesłały wypełnione ankiety.
