Több hatékonyság az erőátviteli elektronikában

Több hatékonyság az erőátviteli elektronikában

Ferdinand-Braun-Institut irányításával most elindult az EU-projekt HiPoSwitch. Célja energiatakarékosabb, kompaktabb és nagyobb teljesítményű elektronikus energiakonverterek fejlesztése különböző alkalmazásokhoz, például az információs és kommunikációs technológiában vagy a napenergia átalakításában. A projektpartnerek lefedik a teljes értékteremtési láncot, az alkatrészfejlesztéstől az ipari hasznosításig.

Az alacsony energiafogyasztás és a magas teljesítmény a modern teljesítménykonverter-rendszerek központi követelményei. Céljuk az erőforrások megőrzése és ugyanakkor egyre nagyobb adatmennyiségek feldolgozása. A teljesítménytranzisztorok az elektronikus teljesítménykonverterek alapvető elemei, amelyek egyen- és váltakozó áramot alakítanak át különböző feszültségekre. Szinte minden technikai eszközben megtalálhatók; az információs és kommunikációs technológiák területén például a mobiltelefon-bázisállomások központi szerepet töltenek be. További alkalmazási területek közé tartoznak az egyen- és váltakozó áramellátások számítógépekhez, hálózatokhoz és tárolókhoz, valamint napelem-átalakítók, elektromos és hibrid járművek.

A Ferdinand-Braun-Institut által koordinált EU-projekt, a HiPoSwitch, a következő három évben új gallium-nitrid alapú tranzisztorokkal fog foglalkozni. Ezeknek kisebb térfogatot és súlyt, valamint magasabb teljesítőképességet kell biztosítaniuk a jövőbeli teljesítménykonverter-rendszerekben. A jelenlegi rendszerek hatékonyságát általában a használt aktív kapcsolóelemek korlátozzák. Jelenleg főként szilícium vagy szilícium-karbid alapú komponenseket használnak. A szilícium-technológia azonban már olyan fejlett, hogy az anyag maga már határára ért, vagy, ahogy a szilícium-karbid esetében, nagyon drága. A gallium-nitrid (GaN) jobb anyagtulajdonságokat ígér. GaN-alapú eszközökkel a teljesítménykapcsolók magasabb frekvenciákon működtethetők anélkül, hogy jelentős kapcsolási veszteségeket kellene elfogadni. Ennek oka a GaN teljesítménytranzisztorok lényegesen alacsonyabb kapcsolási ellenállása, amely a jelentősen csökkentett bemeneti és kimeneti kapacitásokkal együtt a kapcsolási viselkedés jelentős javulásához vezet. Magasabb kapcsolási frekvenciával a passzív komponensek, például tekercsek, áramtranszformátorok és kondenzátorok mérete is jelentősen csökkenthető – az egység összességében kisebb lesz. A tranzisztorokat költséghatékony szilícium-alapú aljzaton építik fel, így gazdaságilag nagyon érdekesek, mivel hosszú távon jobb technikai tulajdonságokat kínálnak viszonylag alacsony költségek mellett.
5,6 millió euró folyik be a nyolc európai partnerrel közösen működő konzorciumba; az EU támogatási része 3,6 millió euró. A projektpartnerek kompetenciái lefedik a teljes értékteremtési láncot a kutatástól és fejlesztéstől (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH); Szlovák Tudományos Akadémia; Bécsi Műszaki Egyetem; Padovai Egyetem) az ipari hasznosításig (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). A projekt befejezésekor GaN teljesítménytranzisztorok és 200 mm-es GaN-szilícium aljzatok kerülnek ipari forgalomba, és világszerte értékesítésre kerülnek.

Szorosan összekapcsolva: alkatrészfejlesztés és ipari átadás
A berlini Ferdinand-Braun-Institut és az Infineon Technologies Austria közösen fejlesztenek a projekt során önzáró GaN teljesítménytranzisztorokat vertikális architektúrában. A tranzisztorok főként GaN-on-Si szilíciumlapkákra épülnek az EpiGaN cégtől; az összehasonlítás érdekében párhuzamosan GaN-on-SiC lapkákon is tesztelnek struktúrákat a FBH-nál. A FBH folyamatmoduljait minél gyorsabban kell átültetni egy tömeggyártásra alkalmas ipari folyamatba az Infineonnál. Emellett kutatnak az új típusú önzáró GaN teljesítménytranzisztorokra, amelyek akár 250°C-ig működhetnek magas hőmérsékleten is. Elsősorban a Bécsi Műszaki Egyetem és a Szlovák Tudományos Akadémia Bratislavában dolgozik már a projekt során a jövőbeli technológiai fejlesztések alapjain. Minden fejlesztést folyamatos, intenzív megbízhatósági és meghibásodási vizsgálatok kísérnek. Különösen a Padovai Egyetem hozza be a GaN-eszközök megbízhatósági tesztelésében és meghibásodási mechanizmusokban szerzett széles körű tapasztalatait.

A készülékfejlesztés mellett az ipari partnerek a technológia átültetésén dolgoznak nagy tételben gyártási környezetbe: A belga EpiGaN a 200 mm-es GaN-on-Si epitaxia fejlesztésekre összpontosít, míg a német AIXTRON a nagy mennyiségű szilíciumlapka-gyártásra optimalizálja epitaxiális reaktorait. Az Infineon Technologies Austria AG pedig értékeli a kifejlesztett tranzisztorkoncepciókat és az EpiGaN által gyártott GaN-on-Si lapkákat a saját gyártási folyamatában. Az Artesyn Austria a fejlesztett technológia teljesítőképességét egy hatékony, kilowattos osztályú inverter rendszerrel fogja demonstrálni, amely például a legújabb generációs bázisállomások mobilkommunikációs eszközeiben kerülhet alkalmazásra.