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.

Branże o największym potencjale zakupowym w odniesieniu do komponentów mocy

 

Najbardziej wartościowym odbiorcą podzespołów dużej mocy w Polsce są firmy przemysłowe, a w dalszej kolejności firmy oświetleniowe, te związane z energetyką odnawialną i motoryzacją. W przemyśle i motoryzacji odchodzi się dzisiaj od rozwiązań mechanicznych, a wiele innych modernizuje poprzez zamianę silnika lub układu wykonawczego na elektryczny z układem sterowania. Najbardziej widać to w samochodach, które zyskują elektryczne sprężarki klimatyzacji, układy wspomagania, pompy i siłowniki, których częścią są elektroniczne sterowniki nierzadko zawierające wiele nowoczesnych podzespołów mocy. Systemy zasilania dużej mocy i konwersji energii to kolejny ważny obszar aplikacyjny, gdzie komponenty półprzewodnikowe zamieniają napięcia stałe na przemienne, łączą sieci zasilające na różnych potencjałach, ładują akumulatory itd.