Větší efektivita pro výkonovou elektroniku

Více efektivity pro výkonovou elektroniku

Pod vedením Ferdinand-Braun-Institutu právě odstartoval projekt EU HiPoSwitch. Jeho cílem je výkonnější, kompaktnější a energeticky účinnější elektronické konvertory energie pro různé aplikace, například v informačních a komunikačních technologiích nebo při přeměně solární energie. Partneři projektu pokrývají celý hodnotový řetězec, od vývoje součástek až po průmyslové využití.

Nízká spotřeba energie a vysoký výkon jsou klíčovými požadavky moderních systémů výkonových konvertorů. Měly by šetřit zdroje a zároveň zpracovávat stále větší objemy dat. Výkonové tranzistory jsou základními prvky elektronických výkonových konvertorů, které transformují stejnosměrný a střídavý proud na různé napětí. Jsou téměř v každém technickém zařízení; v oblasti informačních a komunikačních technologií hrají například v mobilních základnových stanicích klíčovou roli. Dalšími oblastmi použití jsou stejnosměrné/střídavé napájecí zdroje pro počítače, sítě a úložiště, solární měniče, elektromobily a hybridní vozy.

EU projekt HiPoSwitch, koordinovaný Ferdinand-Braun-Institut, se v následujících třech letech zabývá novými tranzistory na bázi gallia nitridu (GaN). Ty by měly zajistit menší objem a hmotnost budoucích výkonových systémů při současně vyšší výkonnosti. Účinnost současných systémů je obvykle omezena použitými aktivními spínacími prvky. V současnosti se většinou používají komponenty na bázi křemíku nebo křemíku karbidu. Technologie křemíku je však již tak pokročilá, že samotný materiál dosahuje svých hranic, nebo je, jako v případě křemíku karbidu, velmi drahý. Lepší vlastnosti materiálu slibuje gallium nitrid (GaN). S GaN-bazovanými součástkami lze výkonové spínače provozovat při výrazně vyšších frekvencích bez nutnosti akceptovat významné ztráty při spínání. Důvodem je podstatně nižší zapínací odpor GaN výkonových tranzistorů, který spolu s výrazně sníženými vstupními a výstupními kapacitami vede k výrazně lepšímu spínacímu chování. S vyšší spínací frekvencí lze současně výrazně zmenšit velikost pasivních součástek, jako jsou cívky, proudové transformátory a kondenzátory – celek je tak menší. Tranzistory jsou vyráběny na levných křemíkových substrátech, což je z ekonomického hlediska velmi atraktivní, neboť dlouhodobě spojují lepší technické vlastnosti s přijatelnými náklady.

Do společného projektu je vloženo 5,6 milionu eur; podíl EU na financování činí 3,6 milionu eur. Kompetence partnerů projektu pokrývají celý hodnotový řetězec od výzkumu a vývoje (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH); Slovenská akademie věd; Technická univerzita Vídeň; Univerzita Pádova) až po průmyslové využití (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). Po ukončení projektu budou GaN výkonové tranzistory a GaN na křemíkových substrátech s rozměrem 200 mm průmyslově dostupné a budou se prodávat po celém světě.

Úzce propojené: vývoj součástek a průmyslový transfer
Berliner Ferdinand-Braun-Institut a Infineon Technologies Austria společně v projektu vyvíjejí samosperrné GaN výkonové tranzistory v vertikální architektuře. Konstrukce tranzistorů probíhá převážně na GaN na Si waferech firmy EpiGaN; pro srovnání jsou paralelně testovány struktury na GaN na SiC waferech z FBH. Procesní moduly z FBH by měly být co nejrychleji převedeny na masově použitelný průmyslový proces u Infineonu. Zkoumány jsou také průzkumné koncepty směřující k vývoji nových samosperrných GaN výkonových tranzistorů, které by mohly pracovat například při vysokých teplotách až do 250 °C. Převážně Technická univerzita Vídeň a Slovenská akademie věd v Bratislavě tak již v rámci projektu vytvářejí základ pro budoucí vývoj těchto technologií. Všechny vývojové práce jsou doprovázeny kontinuálními intenzivními testy spolehlivosti a poruchovosti. Zejména Univerzita Pádova zde přináší své rozsáhlé zkušenosti s testováním spolehlivosti GaN součástek a s mechanismy poruch.

Současně s vývojem součástek pracují průmysloví partneři na převodu technologie do průmyslového prostředí pro výrobu velkých sérií: Belgická firma EpiGaN se zaměřuje na vývoj GaN na Si epitaxie o rozměru 200 mm, zatímco německá společnost AIXTRON optimalizuje své epitaxní reaktory pro vysoký průtok velkých množství. Infineon Technologies Austria AG zase hodnotí ve své výrobní lince vyvinuté koncepce tranzistorů a GaN na Si waferech od EpiGaN. Artesyn Austria předvede výkonové schopnosti nové technologie na základě vysoce efektivního invertorového systému tříkilowattové třídy, který by mohl být použit například v základnových stanicích nejnovější generace pro mobilní komunikaci.