Maggiore efficienza per l'elettronica di potenza

Maggiore efficienza per l'elettronica di potenza

Sotto la guida del Ferdinand-Braun-Institut è partito ora il progetto UE HiPoSwitch. Mira a convertitori di energia elettronici più efficienti dal punto di vista energetico, più compatti e con maggiore potenza per molteplici applicazioni, ad esempio nelle tecnologie dell'informazione e della comunicazione o nella conversione dell'energia solare. I partner del progetto coprono l'intera catena del valore, dallo sviluppo dei componenti alla valorizzazione industriale.

Il basso consumo energetico e le alte prestazioni sono i requisiti centrali dei moderni sistemi di convertitori di potenza. Essi devono risparmiare risorse e allo stesso tempo elaborare quantità di dati sempre maggiori. I transistor di potenza sono i componenti elementari dei convertitori di potenza elettronici, che trasformano corrente continua e alternata a tensioni diverse. Si trovano in quasi ogni apparecchio tecnico; nel settore delle tecnologie dell'informazione e della comunicazione, svolgono un ruolo centrale, ad esempio nelle stazioni base mobili. Altri ambiti di applicazione sono le alimentazioni in corrente continua/alternata per computer, reti e memorie, così come i convertitori solari, veicoli elettrici e ibridi.

Il progetto UE HiPoSwitch, coordinato dall'Ferdinand-Braun-Institut, si concentrerà nei prossimi tre anni su transistor innovativi a base di nitruro di gallio (GaN). Essi dovrebbero garantire sistemi di convertitori di potenza futuri con minore volume e peso, pur offrendo una maggiore capacità di potenza. L'efficienza dei sistemi attuali è generalmente limitata dai componenti attivi utilizzati. Attualmente si impiegano principalmente componenti a base di silicio o carburo di silicio. Tuttavia, la tecnologia al silicio ha ormai raggiunto i propri limiti, o come nel caso del carburo di silicio, è molto costosa. Il nitruro di gallio (GaN) promette migliori proprietà materiali. Con componenti basati su GaN, gli interruttori di potenza possono essere operati a frequenze significativamente più alte, senza dover accettare perdite di commutazione rilevanti. La ragione è la resistenza di accensione molto inferiore dei transistor di potenza GaN, che, insieme alle capacità di ingresso e uscita significativamente ridotte, porta a un comportamento di commutazione notevolmente migliorato. Con frequenze di commutazione più alte, si può anche ridurre notevolmente la dimensione dei componenti passivi come bobine, trasduttori di corrente e condensatori — l'insieme diventa complessivamente più compatto. I transistor sono costruiti su substrati di silicio a basso costo e sono quindi molto interessanti dal punto di vista economico, poiché combinano a lungo termine caratteristiche tecniche molto migliori con costi relativamente bassi.
5,6 milioni di euro vengono investiti nel progetto con otto partner europei; la quota di finanziamento dell'UE è di 3,6 milioni di euro. Le competenze dei partner del progetto coprono l'intera catena del valore, dalla ricerca e sviluppo (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH); Accademia delle Scienze della Slovacchia; Università di Vienna; Università di Padova) fino alla valorizzazione industriale (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). Al termine del progetto, i transistor di potenza GaN e i substrati GaN su silicio da 200 mm saranno disponibili industrialmente e commercializzati a livello mondiale.

Connessione stretta: sviluppo dei componenti e trasferimento industriale
L'Institut Ferdinand-Braun di Berlino e Infineon Technologies Austria sviluppano insieme nel progetto transistor di potenza GaN a commutazione autonoma in architettura verticale. La costruzione dei transistor avviene principalmente su wafer di GaN su silicio della EpiGaN; per il benchmarking, vengono testate strutture su wafer di GaN su SiC dell'FBH in parallelo. I moduli di processo dell'FBH devono essere trasferiti il più rapidamente possibile a un processo industriale di massa presso Infineon. Vengono anche esplorati concetti innovativi per transistor di potenza GaN a commutazione autonoma, che possono operare a temperature elevate fino a 250°C. Principalmente l'Università di Vienna e l'Accademia delle Scienze della Slovacchia a Bratislava stanno già preparando le basi per uno sviluppo futuro di queste tecnologie. Tutte le attività di sviluppo sono accompagnate da continui e approfonditi studi di affidabilità e di guasto. In particolare, l'Università di Padova apporta la sua vasta esperienza nei test di affidabilità dei componenti GaN e nei meccanismi di guasto.

Parallelamente allo sviluppo dei componenti, i partner industriali lavorano al trasferimento della tecnologia in un ambiente industriale per la produzione di grandi quantità: l'azienda belga EpiGaN si concentra sullo sviluppo di epitassie GaN su silicio da 200 mm, mentre l'azienda tedesca AIXTRON ottimizza i suoi reattori epitassiali per il throughput di grandi quantità. Infineon Technologies Austria AG valuta nella sua linea di processo i concetti di transistor sviluppati e i wafer di GaN su silicio di EpiGaN. Artesyn Austria dimostrerà la capacità di potenza della tecnologia sviluppata attraverso un inverter ad alta efficienza di classe kilowatt, che dovrebbe essere utilizzato, ad esempio, nelle stazioni base di ultima generazione per le comunicazioni mobili.