Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy

W podzespołach mocy aktywność producentów kieruje się w stronę poprawy parametrów maksymalnych oraz zapewnienia większego stopnia integracji, a także mniejszych 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 dużą wagę do redukcji strat mocy, co ogranicza gabaryty radiatorów, wielkość obudów, zwiększa stopień integracji i także zmniejsza cenę.

"Duża moc" jest coraz większa

Wartości napięcia, prądu lub mocy, od której zaczyna się "duża moc", 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. Podobnie jest w mniejszych urządzeniach mobilnych zasilanych z akumulatorów, w dużym przemysłowym sprzęcie mobilnym, samochodach hybrydowych, gdzie kilowatowe silniki elektryczne są zasilane napięciem ok. 200 V. W instalacjach PV, gdzie napięcia stałe są jeszcze większe, "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.

Najważniejsze cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu komponentów dużej mocy

 

Mamy takie czasy, że termin dostawy jest często najważniejszym kryterium selekcji przy wyborze produktu. Cena, parametry techniczne, marka i inne liczą się zdecydowanie w mniejszym stopniu, a cenione dawniej przez klientów kompleksowe zaopatrzenie u jednego dostawcy ma dzisiaj znaczenie marginalne.

Tyrystory w układach mocy

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 przez przepięciami. Elementy te 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

Najbardziej istotną i wartościową częścią tej grupy produktowej są półprzewodniki: tranzystory IGBT i MOSFET oraz moduły o różnym stopniu układowej złożoności. 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 400V, a IGBT w przypadku napięć wyższych.

Główne trendy techniczne na rynku półprzewodników mocy

 

Trendy techniczne w podzespołach mocy to miniaturyzacja przy jednoczesnym wzroście obciążalności. Ważna jest też integracja w ramach modułów, dzięki czemu typowe rozwiązania mostkowe (2-, 4-, 6-tranzystorowe) są dostępne jako gotowe jednostki. Z punktu widzenia rozwoju ważne są ponadto elementy SiC i GaN, które pozwalają sprostać wielu istotnym wymaganiom technicznym związanym ze sprawnością konwersji, miniaturyzacją, wysoką obciążalnością prądową i podobnymi parametrami, a więc spełniają wszystkie oczekiwania inżynierskie.

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.

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 R DS(ON) niż w strukturach krzemowych, to zaś oznacza dwukrotnie mniejsze straty przewodzenia. W związku z tym zmniejsza się również ilość generowanej podczas pracy układ energii cieplnej, możliwe jest uproszczenie konstrukcji systemu chłodzenia.

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. 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 w praktyce porównywalne.

GaN-y świetnie sprawdzają się w pracy z napięciami dochodzącymi do 1 kV, zaś SiC 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 – rynek cały czas czeka na tanie tranzystory GaN oraz na ich dostępność.

Moduły mocy

Poza podzespołami dyskretnymi ważną częścią rynku są moduły, zawierające one typowo 4‒6 tranzystorów w układzie 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. Gwarantują 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.

Branże o największym potencjale zakupowym 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.

Długie czasy dostaw i wzrost cen

Długie czasy dostaw, z jakimi cały czas zmaga się rynek, 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 inflacji 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. 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 z miękkim rozruchem. 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, co jest 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.

Najważniejsze trendy pozytywne sprzyjające rozwojowi komponentów mocy

 

Wszystkie istotne zjawiska zmieniające dzisiejszą technikę są korzystne z punktu widzenia zapotrzebowania na półprzewodniki mocy, bo opiera się na nich innowacyjność i potencjał elektromobilności, systemów zasilania energią odnawialną, nowoczesnego oświetlenia i wielu innych produktów przynoszących komfort, funkcjonalność i oszczędności.

Miniaturyzacja

Wiele aplikacji elektroniki mocy pracuje dzisiaj z napięciami przekraczającymi 500 V i prądami wykraczającymi poza 100 A, czyli z 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, miniaturyzacja jest ważnym trendem w energoelektronice, bo pozwala na większą integrację, lepszą swobodę aplikacyjną oraz otwiera nowe możliwości w zakresie zastosowań. Budowane w oparciu na podzespołach 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.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

W zestawieniu czynników negatywnie oddziałujących na rynek podzespołów do aplikacji dużej mocy najistotniejsze są kłopoty wynikające z długich czasów dostaw. Problemem są również wysokie ceny nowoczesnych komponentów tego typu oraz ograniczona dostępność półprzewodników SiC/ GaN wynikająca z małego potencjału wytwórczego przemysłu oraz tego, że przede wszystkim elementy te trafiają do samochodów elektrycznych. Ograniczona podaż w połączeniu z dużym popytem branży motoryzacyjnej powodują, że dla "reszty" tych elementów zostaje niewiele. Na trzeciej pozycji uplasowała się silna konkurencja na rynku, która w obszarze typowych półprzewodników krzemowych jest problemem głównie ze strony producentów chińskich.

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.