Podzespoły elektroniczne

Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy

Wzrost cen energii, konieczność opracowywania nowoczesnych urządzeń o coraz wyższej wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu ich gabarytów powodują, że jednym z ważniejszych trendów na rynku podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy jest coraz większe zainteresowanie klientów nowymi generacjami elementów z SiC oraz GaN. Główna przeszkoda w szybszym rozwoju produktów z użyciem SiC/GaN to wysokie ceny, a także konkurencyjne produkty azjatyckie. Nie bez znaczenia jest też ciągle niższy koszt tradycyjnych układów i modułów opartych na krzemie.

Na rynku komponentów elektronicznych aktualnie panują trudne warunki i niestety w innych krajach UE jest podobnie, przez co zlecenia zagraniczne oraz eksport nie są w stanie złagodzić trudności na rynku lokalnym. Dotyczy to zwłaszcza rynku niemieckiego, który przez ostatnie lata był wiodącym odbiorcą rozwiązań przemysłowych, aplikacji elektromobilnych i motoryzacyjnych, a więc obszarów kluczowych z punktu widzenia komponentów półprzewodnikowych dużej mocy. Efektem tej skomplikowanej sytuacji jest widoczna niepewność klientów w zakresie decyzji, ograniczanie ryzyka działalności, kupowanie małych partii pod bieżące zamówienia, przesuwanie projektów w czasie oraz wydłużanie terminu odbioru zakontraktowanego towaru.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu komponentów dużej mocy

Najważniejszym kryterium selekcji przy wyborze komponentu są parametry techniczne, jakość, termin dostawy oraz dostępny asortyment produktów u jednego dostawcy, czyli kompleksowe zaopatrzenie. To uniwersalny zestaw, który sprawdza się praktycznie zawsze. W omawianej grupie wyróżniono jeszcze znaczenie marki producenta, bo pozostałe kryteria mają znaczenie drugorzędne.

Elektromobilność

Mimo wielu szumnych zapowiedzi i prognoz wskazujących, że elektryczna motoryzacja zacznie szybko się rozwijać na rynku, rzeczywistość nie potwierdza tych życzeń. Wraz z zakończeniem programów dopłat do zakupów, wzrostem cen prądu i ogólnymi oszczędnościami konsumentów, popyt na elektryki ma się nijak do tych zapowiedzi. Paradoksalnie dla rynku dystrybucji podzespołów mocy to nie jest taka zła wiadomość, bo mniejsze zakupy bezpośrednie między motoryzacją a producentami półprzewodników mocy skutkują poprawą dostępności komponentów na wolnym rynku, a więc w sieci dystrybucji.

Bezsprzecznie elektromobilność jest istotnym trendem zmieniającym rynek podzespołów półprzewodnikowych dużej mocy, ale warto zauważyć, że nie dotyczy ona tylko samochodów elektrycznych. Elektryczne są wózki magazynowe, w tym rozwiązania działające autonomiczne, roboty oraz rozwiązania transportowe mniejszego kalibru, takie jak skutery, hulajnogi, rowery. Dzięki lepszej dostępności komponentów mamy więc szansę na rozwój tych bardziej specjalistycznych obszarów aplikacyjnych.

W takich przypadkach jednym z kluczowych elementów systemu pojazdu elektrycznego jest moduł inwertera, czyli przetwornicy odpowiedzialnej za konwersję prądu stałego dostarczanego z akumulatora na trójfazowy prąd przemienny wymagany do pracy silnika elektrycznego. Sprawność i wydajność tego elementu mają kluczowy wpływ na tak istotne parametry pojazdu, jak zasięg, czas ładowania oraz żywotność baterii. Poprawa efektywności pracy inwertera pozwala na obniżenie pojemności baterii przy zachowaniu tych samych osiągów, przynosząc w rezultacie zmniejszenie wagi oraz kosztów produkcji pojazdu.

Duży wpływ na wydajność ma rodzaj użytych tranzystorów. To dlatego, że silniki wykorzystywane we współczesnych pojazdach elektrycznych pracują z sygnałem przemiennym o częstotliwości dochodzącej do 20 kHz oraz napięciu sięgającym 1000 V. Wartości te zbliżone są do maksymalnych dopuszczalnych parametrów pracy krzemowych tranzystorów MOSFET oraz IGBT, takich jak dość długi czas przełączania, który jest źródłem strat komutacyjnych przy konwersji energii. Minimalny czas komutacji określa również maksymalną dopuszczalną częstotliwość pracy inwertera. Poza tym ograniczeniem są też wartości graniczne napięć i prądów oraz rezystancja w stanie włączenia determinująca straty przewodzenia. Z tego tytułu nowe, lepsze komponenty półprzewodników mocy mają kolosalny wpływ na funkcjonalność takich rozwiązań.

Najważniejsze zjawiska techniczne na rynku półprzewodników mocy

Najważniejsze trendy techniczne podzespołów mocy to miniaturyzacja przy jednoczesnym wzroście obciążalności. Ważna jest też integracja komponentów w ramach modułów, dzięki czemu typowe rozwiązania mostków (układy 2-, 4-, 6-tranzystorowe) są dostępne jako jeden komponent. Ważne są ponadto elementy półprzewodnikowe SiC i GaN, które pozwalają spełnić wiele z istotnych wymagań technicznych związanych ze sprawnością konwersji, miniaturyzacją, wysoką obciążalnością prądową, działaniem przy wysokim napięciu i podobnymi parametrami, a więc spełniają wszystkie oczekiwania inżynierskie. Praktycznie identyczny wykres i tak samo ułożona kolejność pojawiła się w naszym poprzednim wydaniu informatora.

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 i mają wysoką sprawność. Falownik może być zasilany z sieci jednofazowej lub trójfazowej (w zależności od mocy). Napięcie to jest prostowane a następnie zamieniane na napięcie przemienne o regulowanej częstotliwości.

Podobną zasadę działania mają inwertery solarne. W tym przypadku stałe napięcie dostarczane przez panele PV jest konwertowane na napięcie trójfazowe o parametrach identycznych jak to, które jest w sieci energetycznej. 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.

Zasilacze i ładowarki

Istotną część aplikacyjną dla półprzewodników mocy kreują ponadto zasilacze i ładowarki akumulatorów. W tych urządzeniach istotnym parametrem jest sprawność konwersji energii, która determinuje gabaryty, zakres temperatur pracy oraz wagę.

W zasilaczach impulsowych straty energii zachodzą w samym procesie przełączania obwodów, podczas prostowania przebiegów napięciowych, podczas wygładzania tętnień i przy zmianie poziomu napięcia z wykorzystaniem transformatora. Straty energii w impulsowym konwerterze można podzielić na statyczne – wynikające z pracy tranzystora przełączającego w stanie włączenia i wyłączenia oraz dynamiczne – związane z samym procesem przełączania. Przełączający tranzystor powinien mieć małą wartość rezystancji włączenia R DS(ON) i krótki czas przełączania. Straty przełączania zależą od pojemności tranzystora (zwłaszcza pojemności Millera pomiędzy drenem i bramką), gdyż pojemności te podczas pracy są ładowane i rozładowywane. Straty tego rodzaju rosną wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania. Wymagania dotyczące niektórych parametrów tranzystorów w różnych zastosowaniach mogą być sprzeczne. Na projektantów i wytwórców tranzystorów nakłada to konieczność znalezienia i zastosowania kompromisowych rozwiązań konstrukcyjno- technologicznych.

Typy komponentów o największym potencjale

Mimo szybko rodzącej się popularności półprzewodników szerokoprzerwowych, cały czas największy potencjał rynkowy mają tranzystory mocy krzemowe (MOSFET i IGBT). Niemniej przewaga nad SiC i GaN nie jest duża i z roku na rok się zmniejsza. Zapewne, gdyby nie ich wyższe ceny oraz cały czas gorsza dostępność, SiC i GaN były na szczycie. Rozwiązania w postaci modułów integrujących kilka tranzystorów w jednej obudowie to domena aplikacji o najwyższych mocach i bez wzglądu na technologię półprzewodnikową zawsze będą one potrzebne i używane, podobnie jak triaki i tyrystory.

Półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym

Im większa moc wyjściowa, wyższe napięcie zasilania, mniejsze wymiary, tym coraz częściej użycie tranzystorów krzemowych napotyka bariery realizacji. Limity i ograniczenia charakterystyczne dla krzemu mogą zostać ominięte poprzez wykorzystanie materiałów półprzewodnikowych należących do grupy WBG (Wide Band Gap), czyli charakteryzujących się szerokim pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną o wartości większej niż dla krzemu). Osiągają one zdecydowanie bardziej zadowalające parametry pracy niż ich tradycyjne krzemowe odpowiedniki – mogą pracować w wyższych temperaturach, przy wyższych napięciach oraz częstotliwościach, redukując straty mocy w układach konwersji zasilania.

Przerwa energetyczna azotku galu wynosi 3,4 eV, podczas gdy dla krzemu wartość ta to jedynie 1,1 eV. Oznacza to możliwość pracy ze znacznie większymi napięciami. Do innych ważnych cech tego materiału zaliczyć można dużą 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 wymiarach niż w przypadku krzemu, 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 komutacji i wyższą maksymalną częstotliwość pracy.

Równie ważną cechą azotku galu jest wysoka ruchliwość nośników, ponadtysiąckrotnie wyższa niż w przypadku krzemu. Przekłada się to na około 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 układy energii cieplnej, możliwe jest uproszczenie konstrukcji systemu chłodzenia, np. poprzez zmniejszenie wymiarów radiatora.

Branże o największym potencjale zakupowym w odniesieniu do komponentów mocy

Niezmiennie od lat najbardziej wartościowi dla dystrybutorów klienci pochodzą z obszaru przemysłu, a w drugiej kolejności z szeroko rozumianej branży zasilania. 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. Znajdującą się na trzeciej pozycji energetykę odnawialną i dalej motoryzację rynek dystrybucji obsługuje w ograniczonym zakresie, a więc poza tym, czego potrzebują duzi producenci zaopatrujący się bezpośrednio u producentów. Dla takich odbiorców tranzystory i moduły wytwarza się ze specyficznymi oznaczeniami i w kastomizowanych obudowach. W motoryzacji odchodzi się dzisiaj od rozwiązań mechanicznych, a wiele innych modernizuje poprzez zamianę silnika lub układu wykonawczego na elektryczny z układem sterowania.

SiC Czy GaN?

Z pewnością półprzewodniki takie jak SiC i GaN nie są już na rynku nowością, ale faktem jest, że w ostatnich latach ich popularność bardzo się zwiększyła, ceny zmalały, a dostępność się systematycznie poprawia. W efekcie od paru lat w wielu zastosowaniach SiC stanowią już rzeczywistą alternatywę dla elementów krzemowych i to mimo, że nadal są droższe.

Dobre parametry elektryczne tranzystorów z SiC zapewnione są nawet w wysokich temperaturach, co ułatwia budowę konwerterów energii i ogranicza wymagania związane z chłodzeniem, bo temperatura dopuszczalna złącza jest tutaj o 25–30º większa niż dla półprzewodników krzemowych. Pozwala to na zmniejszenie powierzchni wymaganych radiatorów lub wydajności systemu chłodzenia. Nierzadko też przejście na elementy SiC umożliwia rezygnację z chłodzenia wymuszonego i zastąpienie go konwekcyjnym. Co więcej, tranzystory te są w stanie pracować przy 5× wyższych częstotliwościach kluczowania, co pozwala na redukcję wymiarów elementów magnetycznych i na przykład przejście na cewki powietrzne. Niewielkie prądy zerowe nawet w wysokich temperaturach zapewniają stabilne działanie i dużą niezawodność, co widać właśnie najbardziej w tych ekstremalnie trudnych warunkach otoczenia i zasilania.

Typowy MOSFET SiC pozwala utrzymać w ryzach straty mocy przy częstotliwościach rzędu 300 kHz, prądach 100 A, a więc tam, gdzie krzem już nie daje rady. SiC pozwala też na działanie z wysokim napięciem przewyższającym 1 kV przy niskiej R DS(ON) poniżej 100 mΩ dla tej wartości U DS. Jeśli chodzi o tranzystory z azotku galu GaN to one oferują jeszcze lepsze parametry w zakresie przełączania z dużą częstotliwością, nawet 1 MHz przy dużym poziomie mocy.

Najważniejsze trendy pozytywne sprzyjające rozwojowi komponentów mocy

Z wykresu wynika, że za sprzyjające dla rozwoju rynku półprzewodników mocy uznano elektryczną motoryzację i elektronizację techniki w ogólności, bo opiera się na nich innowacyjność i potencjał elektromobilności. Wiele aplikacji związanych z m. in. energią odnawialną i napędami w przemyśle też jest postrzeganych jako ważne czynniki pobudzające wzrost. Co ciekawe, drożejąca energia elektryczna nie uplasowała się wysoko w tym zestawieniu.

SiC i GaN – różnice

Tranzystory SiC MOSFET są bardzo podobne w budowie do swoich krzemowych odpowiedników, działają też na podobnej zasadzie. Przyłożone do bramki napięcie powoduje, że swobodne elektrony przemieszczają się do obszaru zubożenia i tworzą kanał przewodzący. Tranzystory MOSFET typu SiC jak i Si są produkowane zarówno w technologii planarnej, jak i trench (rowkowej). Prąd przepływa w nich od powierzchni górnej do dolnej.

Działanie elementów GaN opiera się natomiast na naturalnie występującym dwuwymiarowym gazie elektronowym (przemieszczające się elektrony swobodne) pomiędzy niedomieszkowaną warstwą GaN a n-domieszkowaną warstwą AlGaN. Podstawowa konstrukcja tranzystora musiała więc być zmodyfikowana, aby utworzyć tranzystor normalnie wyłączony. Ma on potoczne określenie eMode GaN. Element ten jest preferowany do zastosowań w energetyce.

Kolejną istotną różnicą jest rozmieszczenie wyprowadzeń. Technologia GaN wymaga, przynajmniej na razie, bocznego umieszczania wyprowadzeń. Prąd płynie więc równolegle do powierzchni elementu, a ponieważ praktycznie należy wykluczyć możliwość nakładania się elektrod drenu, bramki i źródła, pojemności wewnętrzne C DS, C GS i CGD są drastycznie mniejsze.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

W zestawieniu czynników negatywnie oddziałujących na rynek podzespołów do aplikacji dużej mocy ankietowani specjaliści wskazywali na wysokie ceny nowoczesnych komponentów tego typu, a zaraz po tym na kłopoty wynikające z długich czasów dostaw oraz zachowawczy charakter rynku energoelektroniki, czyli to, że klienci bardzo ostrożnie podchodzą do nowości. Na wykresie wysoko notowana jest konkurencja ze strony dostawców chińskich. To pokłosie wysokich cen.

Ze względu na wymagania dotyczące dużej gęstości mocy, niezwykle małe pojemności przełączników GaN wyróżniają je na tle rozwiązań konkurencyjnych i sprawiają, że idealnie nadają się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, częstotliwości i szybkiego przełączania mocy.

Tranzystory GaN są stosowane w aplikacjach przeznaczonych na dwa różne zakresy napięciowe. Niskonapięciowe tranzystory GaN mają napięcia przebicia 200 V. W tej grupie przeważają tranzystory normalnie wyłączone, tzw. eMode. Zastosowania wysokonapięciowe odnoszą się do zakresu od 200 V do 650 V. W tej grupie są stosowane rozwiązania kaskadowe GaN lub eMode, w których normalnie włączony tranzystor GaN jest połączony szeregowo z normalnie otwartym niskonapięciowym krzemowym tranzystorem MOSFET o niskiej rezystancji R DSON, tworząc układ normalnie wyłączony.

Z punktu widzenia projektantów zalety zamiany krzemowych przełączników na ich odpowiedniki wykonane na podłożu z azotku galu to wyższa sprawność konwersji, redukcja rozmiaru oraz wagi komponentów. Choć same układy GaN są wciąż droższe niż te wykonane z krzemu, całkowity koszt systemu może nie ulec znaczącemu podwyższeniu, a w wielu przypadkach nawet zostać obniżony. Wynika to z wyższej sprawności konwersji napięć (zatem obniżenia mocy strat), uproszczenia i redukcji rozmiaru pozostałych komponentów – np. radiatorów, kondensatorów czy elementów magnetycznych, takich jak transformatory. W efekcie uzyskać można mniejszy oraz bardziej wydajny układ zasilania.

Wśród innych zalet, przełączniki GaN charakteryzują się niższą od układów krzemowych pojemnością bramki, a zatem koniecznością przeładowania mniejszej ilości ładunku podczas przełączania. Dzięki temu mają krótszy czas przełączania, co pozwala im na pracę z sygnałami o wyższej częstotliwości. W pojazdach elektrycznych przekłada się to na możliwość uzyskania dłuższego zasięgu lub obniżenia masy i wymiarów baterii. Natomiast tranzystory SiC mają ogólnie lepszą zdolność do pracy z wyższymi napięciami, charakteryzują się jednak nieco wolniejszym czasem przełączania niż układy GaN. Z tego powodu dla zakresów napięć poniżej 1000 V przegrywają rywalizację z komponentami opartymi na azotku galu.