Nowe materiały półprzewodnikowe w zasilaczach

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, przetwornicach oraz ładowarkach w aplikacjach energoelektronicznych, e-mobilności i podobnych. Sprawność i wydajność takich jednostek mają kluczowy wpływ na istotne parametry pojazdu, czas ładowania oraz koszty eksploatacji. Dlatego w takich zastosowaniach, gdzie czas eksploatacji liczy się w wielu latach, elementy te dają duże oszczędności.

Mimo to, większość jednostek zasilających dostępnych na rynku oraz falowników budowanych jest z użyciem tranzystorów krzemowych MOSFET oraz IGBT. W wielu aplikacjach pracują one blisko maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy i w jednostkach dużej mocy muszą być łączone równolegle dla zwiększenia obciążalności. Istnieje zatem bardzo duże prawdopodobieństwo, że technologia ta nie będzie w stanie sprostać wymaganiom stawianym następnym generacjom pojazdów i maszyn, gdyż obsługa coraz większych mocy stanie się problematyczna.

Najważniejsze czynniki o charakterze negatywnym dla rynku zasilania

 

Główne problemy rynku zasilania to tanie i kiepskie zasilacze dalekowschodnie, które konkurują cenowo z lepszymi produktami markowymi, a ponadto długie czasy dostaw. Psują one rynek, bo zabierają przestrzeń zasilaczom markowym, utrwalają stereotypy i negatywne opinie o zasilaniu impulsowym i sprowadzają relacje z klientami do poziomu ceny. Sytuacje komplikuje to, że w Chinach produkowane są zasilacze kiepskie, dobre i czołowe markowe jednostki o znakomitej funkcjonalności. Co więcej, tamtejsi producenci mają w ofercie zarówno lepsze zasilacze dla klientów wymagających, jak i słabe dla tych, którzy są zainteresowani niską ceną. Utrudnia to proste kategoryzowanie dobry-zły.

Stąd upowszechnienie się półprzewodników takich jak GaN w zasilaczach jest tylko kwestią czasu, ale do momentu, kiedy zasilacz tego typu stanie się produktem masowym, jeszcze daleko.

Tranzystory GaN mają o połowę niższą wartość rezystancji włączenia RDS(ON), niż jest to w strukturach krzemowych, to zaś oznacza dwukrotnie mniejsze straty przewodzenia. W związku z tym zmniejsza się również ilość generowanej podczas pracy układu energii cieplnej oraz możliwe jest uproszczenie konstrukcji systemu chłodzenia. Niemniej, w porównaniu z tranzystorami krzemowymi, przełączniki GaN są trudniejsze w sterowaniu. Używając GaN-ów, trzeba też pokonać problemy pojawiające się przy dużej szybkości przełączania tych elementów związane z obecnością reaktancji pasożytniczych, będących źródłem oscylacji, co wymaga poświęcenia na projekt dodatkowego czasu i poniesienia kosztów. Strome zbocza (duże wartości dV/dt) wywołują oscylacje o wysokiej częstotliwości, wywołujące zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które należy odfiltrować oraz tłumić, aby zapobiec uszkodzeniom od przepięć. Ponadto szybkie przełączanie GaN-ów utrudnia ich ochronę przed przeciążeniem, ponieważ mogą one ulec uszkodzeniu szybciej, niż są w stanie zareagować obwody zabezpieczające.

Są też droższe od wersji krzemowych, co przy silnie konkurencyjnym rynku zasilania ogranicza tempo ich ekspansji w zasilaczach. Paradoksalnie łatwiej można kupić dzisiaj zasilacz małej mocy z przełącznikiem mocy GaN, np. ładowarkę do telefonu niż zasilacz dużej mocy, gdyż do takich aplikacji opracowano specjalne scalone sterowniki z takimi elementami. Oczywiście przed technologią GaN jest świetlana przyszłość, ale jeszcze minie sporo czasu, zanim rozwiązania staną się powszechne.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku zasilaczy

 

Za czołowy trend rozwojowy dla rynku zasilania ankietowani specjaliści uznali presję na jakość i zaawansowanie techniczne, która razem ze zwiększającymi się wymaganiami formalno-prawnymi sprzyja rozwojowi. Drugim ważnym aspektem jest szeroki asortyment produktów katalogowych dostępnych na rynku, w tym także jednostek specjalizowanych pod kątem, co umożliwia optymalne dobranie zasilacza do aplikacji bez kompromisów. Jakość jest istotna dla klientów, gdyż kiepskiej jakości zasilacz jest w stanie przekreślić wszystkie pozostałe korzyści techniczne i cenowe z instalacji, nowego urządzenia lub systemu, a także wymusić kosztowne akcje serwisowe. Poza tym uszkodzenie zasilacza powoduje awarię fatalną, taką, której nie da się nawet tymczasowo opanować.

Więcej bezpieczeństwa we wszystkich typach zasilaczy

Zasilacze impulsowe dostarczają energii dla coraz bardziej wrażliwych układów i systemów, np. urządzeń medycznych, pomiarowych, do rozproszonych instalacji zasilanych z różnych sieci. Dlatego zagadnienia związane z zapewnieniem ochrony przed niebezpiecznym napięciem sieci są bardzo istotne.

Zasilacze produkowane są w dwóch klasach ochronności izolacji: podstawowej I i wzmocnionej II. Od strony użytkowej przekłada się to na to, że wersje o bardziej wytrzymałej na przebicie izolacji były domeną konsumenckich zasilaczy adapterowych, te z izolacją podstawową obejmowały całą resztę w tym wszystkie jednostki większej mocy. Izolacja wzmocniona, dla której wymagania mówią o odporności na napięcie testowe 3000 VAC, pozwala podłączyć zasilacz do sieci bez uziemienia, a więc dwoma przewodami. Gdy izolacja jest klasy I (napięcie testowe 1500 VAC), zasilacz podłączany jest trzema przewodami (L, N, PE).

Główne zjawiska techniczne w zasilaczach

 

Od wielu lat duża sprawność i miniaturyzacja są najważniejszymi trendami technologicznymi wyznaczającymi kierunek rozwoju branży zasilania. Duża sprawność determinuje w kolejności wiele ważnych parametrów użytkowych i technicznych zasilaczy: niższe opłaty za energię, mniejsze nagrzewanie itd. Małe wymiary to lepsza możliwość integracji jednostek, co zawsze jest w centrum zainteresowania klientów i pośrednio determinuje rozwój produktów. Duże znaczenie certyfikatów i świadectw potwierdzających spełnianie wymagań jest efektem tego, że na rynku jest wiele produktów o kiepskiej jakości, awaryjnych, niedostatecznie zabezpieczonych. Takie zasilacze konkurują cenowo z jednostkami jakościowymi a potem stają się problemem. Stąd kupujący interesują się tym czy zasilacz ma potwierdzoną jakość i parametry.

W miarę upływu lat ta reguła coraz częściej przestaje obowiązywać. Wiele zasilaczy dużej mocy jest produkowanych w klasie izolacji II bez względu na to, że są przewidziane do podłączenia trzema przewodami. Taki trend można też postrzegać jako wzrost jakości zasilaczy po stronie bezpieczeństwa elektrycznego. Ponadto mnóstwo zasilaczy ma izolację, która wytrzymuje jeszcze większe napięcie testowe i charakteryzuje się małym prądem upływu, dużo poniżej granicznych progów wyznaczanych w normie EN62368. To także znak, że bezpieczeństwo liczy się coraz bardziej.

Ocena problemów z długim czasem dostaw i zaburzeń wywołanych wojną

 

Z wykresu wynika, że czasy dostaw w zakresie zasilaczy nadal są długie i w negatywny sposób wpływają na działalność dostawców, niemniej sytuacja jest w dużej mierze opanowana. Podobne wskazania otrzymujemy w naszych innych badaniach ankietowych, co potwierdza, że jest to wspólny problem dla rynku. Bardziej niepokojące jest 11-procentowe wskazanie z dolnej części wykresu potwierdzające, że problemy mogą też być poważne.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie zasilaczy

 

W zestawieniu najważniejszych kryteriów branych pod uwagę przez klientów przy selekcji zasilacza i dostawcy na szczycie uplasowały się termin dostawy i cena. Stanowi to doskonałe tło do tego, czym dzisiaj żyje rynek, bo nigdy termin dostawy nie był wyżej niż na czwartej–piątek pozycji. Dostępność wersji na zamówienie nie odgrywa już wielkiej roli w omawianym biznesie, bo wyrobów katalogowych jest na tyle dużo, że zawsze da się coś dopasować z typowych produktów.

Nietrudno zauważyć, że standardem jest też to, że ogromna większość zasilaczy małej i średniej mocy działa w szerokim zakresie napięć wejściowych, od 100 do 240 VAC, a często także 90–265 VAC. To także można odczytywać jako lepsze bezpieczeństwo użytkowania.