Podzespoły dla energoelektroniki – SiC i GaN zmieniają status quo

Elektronika dużych mocy, czyli energoelektronika, to sektor, który w ostatnich latach bardzo szybko się rozwija. Powodów jest co najmniej kilka, a za najważniejszy można zapewne uznać dużą liczbę nowych aplikacji, które na niej bazują, jak elektryczna motoryzacja, transport szynowy, aplikacje energii odnawialnej lub indukcyjne systemy grzewcze. Elektronizacji podlega też wytwarzanie i dystrybucja energii elektrycznej, napędy silników dużej mocy w maszynach przemysłowych i wiele innych podobnych obszarów.

W takich zastosowaniach elektronika mocy jest w stanie zapewnić wysoką sprawność regulacji i konwersji energii, wysoką niezawodność działania i dużą odporność na przeciążenia. Nowoczesne rozwiązania zasilające i sterujące, bazujące na podzespołach półprzewodnikowych dużej mocy, jak na przykład falowniki, konwertery i przetwornice, mają też niewielkie rozmiary, dzięki czemu dają się łatwo integrować w maszynach i urządzeniach. W energoelektronice liczy się ponadto wysoka funkcjonalność, która na przykład w napędach silników jest równoważna zapewnieniu płynności działania, możliwości zdalnej kontroli i sterowania. Jest to po prostu nowoczesność.

W Polsce rynek podzespołów dużej mocy rozwija się w takt dużych inwestycji przemysłu energetycznego, transportu kolejowego, w rytm kolejnych modernizacji fabryk, czyli innymi słowy, wraz z dużymi projektami, realizowanymi nierzadko jako wieloletnie plany finansowane z funduszy strukturalnych. Dostawcą dla przemysłu, automatyki i energetyki jest lub chce być duża część krajowych firm handlowych. W kolejnych latach drożejąca energia elektryczna, wymagania jakościowe, jakie stawia się przed współczesnymi aplikacjami, zapewnią też niezłe perspektywy rozwojowe na przyszłość, bo zainteresowanie nowymi, energooszczędnymi technologami będzie się zwiększać.

Najważniejsze cechy ofert brane przez klientów pod uwagę podczas wyboru podzespołów dla energoelektroniki

 

Zestawienie najważniejszych cech ofert handlowych branych pod uwagę przez klientów z omawianego sektora ma na samej górze parametry techniczne komponentów, a na drugiej pozycji zawiera czas dostawy. Cena, która w większości przypadków dla takich zestawień jest zwykle na samej górze, tutaj spadła na trzecią pozycję, co jest bardzo wymowne. Podobnie jest z wieloma innymi kryteriami, jak marka producenta, dostępność certyfikatów, które zazwyczaj lokują się prawie na samym dole, tym razem mają większe znaczenie.

PÓŁPRZEWODNIKI, CZYLI GŁÓWNIE TRANZYSTORY

Kluczowymi podzespołami elektroniki dużej mocy są półprzewodniki, a więc głównie diody i tranzystory. Znaczenie tyrystorów wyraźnie maleje, bo postęp technologiczny w zakresie tranzystorów mocy jest tak imponująco szybki, że do nowych projektów tyrystorów się już praktycznie nie wykorzystuje. Mają one zbyt duże straty mocy i nie dają takiej swobody komutacji prądu jak tranzystor.

Jeszcze dekadę temu regulatory, softstarty i przełączniki dużej mocy, które uruchamiały na przykład proces zgrzewania, budowane były z reguły za pomocą tyrystorów i przez to z konieczności opierały się na fazowej regulacji mocy. Dzisiaj tam, gdzie się tylko da, wykorzystuje się tranzystory IGBT lub MOSFET, które dają większe możliwości scalania i tym samym zapewniają równoległe łączenie bloków mocy. W stosunku do tyrystorów ich sterowanie jest prostsze i wymaga mniejszej energii. Niemniej najważniejsze, że są to elementy znacznie szybsze, a więc pozwalające załączać napięcie do obciążenia z kilohercową szybkością. Oprócz wielu możliwości w zakresie sterowania pozwala to na redukcję wielkości filtrów przeciwzakłóceniowych i pozwala lepiej kontrolować stany nieustalone. Oczywiście parametry najsilniejszych tyrystorów nadal znacznie przekraczają to, co oferują IGBT, ale gdy się policzy cały koszt urządzenia, te różnice są już zwykle niewielkie.

MOSFET I IGBT

W wymienionych powodów we współczesnej elektronice mocy wykorzystuje się praktycznie tylko tranzystory MOSFET i IGBT. Tranzystory bipolarne przegrywają z nimi w zakresie wymaganej mocy sterującej, która jest za duża, bo ich wzmocnienie prądowe przy dużym obciążeniu jest niewielkie.

MOSFET-y mają bardzo małe straty związanie z przewodzeniem, a więc niską rezystancję kanału w stanie włączenia dla wersji o małym napięciu znamionowym (do ok. 50 V). W elementach na wyższe napięcia, do 800 V, rezystancja kanału w stanie przewodzenia jest już niestety znacząco większa. Stąd najczęściej MOSFET-y są stosowane w obwodach niskonapięciowych, a w aplikacjach zasilanych z wyprostowanego napięcia sieci używane są jedynie dla małej i średniej mocy wyjściowej.

Z kolei tranzystory IGBT są domeną aplikacji o wyższym napięciu zasilania, gdyż zawarty w ich strukturze tranzystor bipolarny jako element wyjściowy ma przy dużych prądach obciążenia i wysokich napięciach znamionowych lepsze parametry związane ze stratami na przewodzenie (niewielkie napięcie nasycenia).

W takim zakresie MOSFET-y mają już wyraźnie gorsze parametry, np. R_DS(ON) rzędu pojedynczych omów. Dla układów dużej mocy bywa to dyskwalifikujące, natomiast bez problemu udaje się nabyć znakomite IGBT na napięcie 1‒1,5 kV. Innymi słowy w zakresie półprzewodników mocy istnieje coraz wyraźniejszy podział aplikacyjny rynku wyznaczany przez najlepsze zakresy parametrów elementów mocy.

Najważniejsze trendy techniczne

 

Główne trendy technologiczne rynku komponentów dla energoelektroniki to nowe materiały półprzewodnikowe, czyli węglik krzemu i w znacznie mniejszym zakresie azotek galu. Elementy tego typu pozwalają spełnić wiele z istotnych wymagań technicznych związanych ze sprawnością konwersji, miniaturyzacją, wysoką obciążalnością prądową i podobnymi parametrami. Ważnym trendem jest też integracja wielu tranzystorów w ramach pojedynczego modułu, co wynika z tego, że większość rozwiązań stopnia mocy opiera się na układach mostkowych, a więc zawierających zazwyczaj 4 lub 6 tranzystorów. Możliwość skorzystania z jednego modułu tworzącego cały stopień mocy zawsze była interesująca w tym obszarze.

KOMPONENTY SIC I GAN

Z pewnością półprzewodniki, węglika krzemu nie są już na rynku nowością, ale faktem jest, że w ostatnich pięciu latach ich popularność bardzo się zwiększyła. Przed 2010 rokiem tylko firma Cree dostarczała na rynek materiały podłożowe z SiC. Obecnie, głównie za sprawą znacznych inwestycji producentów półprzewodników, takich jak m.in. Cree, Infineona, Rohm, ON Semi, Littelfuse oraz ST Micro, dostępność się znacznie poprawiła. W efekcie od paru lat w wielu zastosowaniach SiC stanowią już rzeczywistą alternatywę dla elementów krzemowych i to mimo, że nadal są droższe. Można też liczyć, że ceny takich tranzystorów niedługo spadną, bo rynek materiałów podłożowych z węglika krzemu jest aktualnie w fazie transformacji z krążków 4-calowych na 6-calowe i jest na nim aktywnych coraz więcej producentów. Większa powierzchnia płytek poprawi też wydajność produkcji takich podzespołów, bo na razie przy użyciu krążków 4-calowych producenci mają za małe moce wytwórcze i nie nadążają z produkcją w stosunku do zapotrzebowania, np. ze strony rynku energii odnawialnej.

Dobre parametry elektryczne tranzystorów z SiC zapewnione są nawet w wysokich temperaturach, co ułatwia budowę konwerterów i ogranicza nakłady wymagane do zapewnienia chłodzenia. Wysoka 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 2‒5 razy wyższych częstotliwościach kluczowania, co pozwala na redukcję wymiarów elementów magnetycznych i pojemności. 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 się już "nie wyrabia". SiC pozwala też na działanie z wysokim napięciem przewyższającym 1 kV przy niskiej R_{DS( ON)} poniżej 100 mΩ dla 1,2 kV. Jeśli chodzi o tranzystory z azotku galu GaN to oferują one jeszcze lepsze parametry w zakresie przełączania z dużą częstotliwością, nawet 1 MHz przy dużym poziomie mocy.

Komponenty półprzewodnikowe o największym potencjale biznesowym

 

Podstawą aplikacji energoelektronicznych są krzemowe tranzystory IGBT i MOSFET, co jest zrozumiałe, biorąc pod uwagę, jak bardzo szeroki jest ich asortyment, dostępność i relatywnie niskie ceny. Ale na drugiej pozycji uplasowały się takie same elementy z półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (głównie SiC), które często są rozważane do nowych projektów. 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. Dół wykresu zajęły tyrystory i triaki, które dawniej były podstawą wielu urządzeń dużej mocy, dzisiaj mają już znacznie słabszy potencjał aplikacyjny.

NAPĘDY SILNIKÓW, CZYLI FALOWNIKI

Silny impuls rozwojowy dla półprzewodników mocy tworzą także napędy silników. Od kilku lat w maszynach przemysłowych, na kolei, w sprzęcie AGD, systemach klimatyzacji, w motoryzacji i podobnych obszarach wykorzystuje się elektroniczne sterowniki umożliwiające płynną regulację obrotów, zmianę kierunku wirowania i zapewniające miękki rozruch. Oprócz takich funkcji użytkowych falowniki umożliwiają osiągnięcie wysokiej sprawności energetycznej, która jest wymagana obecnie przez przepisy unijne. Urządzenia te współpracują z silnikami indukcyjnymi, a więc tymi, które są powszechnie stosowane w maszynach i urządzeniach przemysłowych, dla których do niedawna nie było dobrych pod względem sprawności pracy i skuteczności działania regulatorów obrotów. Duże jednostki musiały mieć w tym celu przełączane uzwojenia, co było niewygodne i ograniczało liczbę biegów silnika do co najwyżej kilku. Obie te metody obarczone są poważnymi wadami, dlatego rynek napędów, które elektronicznie kształtują moc i szybkość wirowania pola magnetycznego w silniku, rozwija się dzisiaj bardzo dynamicznie.

Najważniejsze trendy pozytywne sprzyjające rozwojowi komponentów dla energoelektroniki

 

Duże rynkowe znaczenie energoelektroniki, wiele nowych otwarć, związanych z m.in. energią odnawialną, elektrycznym transportem, konwersją mocy i napędami w przemyśle jest postrzegany jako najważniejsze czynniki sprzyjające rozwojowi. Co ciekawe, drożejąca energia elektryczna nie uplasowała się wysoko, być może dlatego, że problem ten i związane z rosnącymi cenami wydatki dopiero są przed nami.

ENERGIA ODNAWIALNA

Energia elektryczna jest coraz droższa, co sprzyja inwestycjom w technologie energooszczędne. Częścią tego procesu są technologie energii odnawialnej. Napięcie generowane przez źródła nie nadaje się w 99% przypadków do bezpośredniego wykorzystania praktycznego, bo waha się w dużym zakresie oraz nieliniowo zmienia się wraz z oświetleniem i siłą wiatru i obciążeniem. Z uwagi na powyższe większość takich inwestycji wykorzystuje złożone systemy konwersji mocy bazujące na złożonych sterownikach i wydajnych stopniach mocy zbudowanych właśnie z półprzewodników. W mniejszej skali, ale w podobny sposób, oddziaływają na rynek komponentów mocy instalacje fotowoltaiczne, które zawsze wykorzystują jakiś inwerter dostarczający energię elektryczną o stałych parametrach, co pozwala na dołączenie instalacji do sieci. Do tego są potrzebne elementy dużej mocy.

Poza tym w tym obszarze funkcjonują magazyny energii, takie jak akumulatory i superkondensatory, pozwalające przechwycić nadwyżkę mocy wytwarzanej nad zużywaną, wspomagające chwile szczytowych poborów mocy. Gdy instalacja nie jest połączona z siecią energetyczną, akumulator jest praktycznie niezbędny i od jego pojemności i niezawodności zależy w dużym stopniu dostępność energii zasilającej. Obsługa takich zadań wymaga dwukierunkowego (złożonego) falownika.

MINIATURYZACJA, SPRAWNOŚĆ I ODPROWADZANIE CIEPŁA

Wiele aplikacji elektroniki mocy pracuje dzisiaj z napięciami przekraczającymi 500 V i prądami wykraczającymi poza 100 A. Takie granice wyznaczają aplikacje w transporcie szynowym, motoryzacji elektrycznej oraz w sprzęcie przemysłowym. Energetyka podane wartości mnoży jeszcze nawet kilkukrotnie, a maksymalną obciążalność komponentów zwiększa, łącząc je szeregowo i równolegle w stosy. Niemniej bez względu na to, urządzenia muszą być możliwie niewielkie. Mimo że w wielu instalacjach miejsce nie jest problemem, miniaturyzacja jest ważnym trendem w energoelektronice, bo pozwala na większą integrację, lepszą swobodę aplikacyjną oraz otwiera nowe możliwości w zakresie zastosowań.

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 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.

Równolegle do pojawiających się na rynku nowych podzespołów półprzewodnikowych o coraz mniejszych stratach komutacyjnych, warto dostrzec trend związany z zarządzaniem ciepłem. Sprawnie działający mechanizm jego odprowadzania sprzyja miniaturyzacji, dlatego wiele innowacji nie kończy się na strukturach półprzewodnikowych i dotyczy także obudów komponentów. Najwięcej zmian w obszarze obudów jest w motoryzacji, ale jak to zwykle bywa, z czasem dobre pomysły przebijają się do innych branż i zastosowań.

Najważniejsze zjawiska hamujące rozwój rynku

 

Zestawienie najbardziej istotnych czynników o negatywnym oddziaływaniu na rozwój rynku otwiera problem związany z wysokimi cenami zaawansowanych komponentów mocy, co jest kłopotem dla producentów specjalistycznych rozwiązań wytwarzanych w niewielkich seriach. Ankietowani specjaliści wskazywali także, że problemem są długie terminy dostaw podzespołów oraz zachowawczy charakter rynku energoelektroniki, czyli to, że klienci bardzo ostrożnie podchodzą do nowości. Konkurencja na rynku, w tym standardowy dla innych sektorów problem z produktami importowanymi z Chin, w tym obszarze akurat nie jest istotny.

MODUŁY MOCY

Podzespoły półprzewodnikowe dużej mocy obejmują zarówno szereg elementów dyskretnych, jak również funkcjonalne moduły o różnym stopniu złożoności, jeśli chodzi o strukturę wewnętrzną. Są one przeznaczone do układów półmostkowych lub pełnomostkowych, w wersji jednofazowej i trójfazowej. Najczęściej moduły zawierają 6 tranzystorów mocy, ale często umieszcza się w nich też prostownik, diody usprawniające oraz zabezpieczające. Takie komponenty znajdują się w ofertach wielu producentów półprzewodników i stanowią bazę konstrukcyjną większości napędów, regulatorów i zasilaczy. Występują one w wielu wersjach o różnej topologii, pozwalając zrealizować w prosty sposób stopień mocy. Modułowe półprzewodniki mocy zdobyły rynek również tym, że stanową one zwartą konstrukcję o dobrych parametrach w zakresie odprowadzania ciepła, przy jednoczesnym zapewnieniu izolacji galwanicznej od radiatora.

Półprzewodniki mocy to ponadto elementy, które zawsze współpracują z radiatorem lub innym systemem odprowadzania ciepła oraz w ogromnej większości zasilane są wysokimi napięciami, przekraczającymi 350 V. Dlatego ułatwienia związane z izolacją galwaniczną poszczególnych elementów, zapewniające bezproblemowy montaż na metalowym radiatorze, są jednym z najważniejszych źródeł przewagi rynkowej modułów nad elementami dyskretnymi.

NIE TYLKO PÓŁPRZEWODNIKI

Poza półprzewodnikami energoelektronika 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 i inne części znajdujące się w torze dużej mocy. 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.

Ważnym produktem są też specjalizowane sterowniki tranzystorów zapewniające izolację galwaniczną, poziomy napięć wymagane do sterowania bramką i dużą wydajność prądową umożliwiającą sprawną komutację. Są one pomostem między warstwą sygnałową aplikacji (np. mikrokontrolerem) oraz blokiem mocy.

KŁOPOTY Z DOSTĘPNOŚCIĄ PODZESPOŁÓW

Gwałtowny rozwój elektrycznej motoryzacji oraz aplikacji związanych z energią odnawialną powoduje, że popyt na nowoczesne półprzewodniki mocy jest bardzo duży. Przy ograniczonej podaży na rynku pojawiają się kolejki i czasy dostaw się zwiększają.

Zjawisko to ogranicza trochę tempo rozwoju rynku, bo projektanci muszą brać pod uwagę dostępność tranzystorów mocy. Zapewne kolejki są największym problemem dla tych, którzy tworzą aplikacje wytwarzane w średnich seriach, a więc za małych, aby negocjować dostawy na najwyższym szczeblu oraz za dużych, aby po prostu kupić potrzebną ilość u detalisty. Takie potrzeby ma właśnie wielu krajowych producentów.