Podzespoły do elektroniki dużej mocy

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.

Typy komponentów o największym potencjale

 

Największy potencjał rynkowy mają tranzystory mocy krzemowe (MOSFET i IGBT) oraz takie same elementy, ale wykonane z SiC i GaN. Zapewne, gdyby nie ich wyższe ceny oraz słaba dostępność, SiC i GaN byłyby na szczycie tego zestawienia. Rozwiązania w postaci modułów integrujących kilka tranzystorów w jednej obudowie to domena najwyższych mocy i bez wzglądu na technologię półprzewodnikową zawsze będą one potrzebne i używane. Triaki i tyrystory nie są postrzegane jako elementy perspektywiczne, głównie na skutek tego, że parametry tranzystorów są dzisiaj na tyle dobre, że konwersję mocy dokonuje się w inny sposób, tj. nie za pomocą regulacji kąta włączenia.