Większa wydajność dla elektroniki mocy

Większa wydajność dla elektroniki mocy

Pod kierownictwem Ferdinand-Braun-Institut rozpoczęto teraz projekt UE HiPoSwitch. Jego celem jest opracowanie bardziej energooszczędnych, kompaktowych i wydajniejszych elektronicznych konwerterów energii do różnych zastosowań, na przykład w technologii informacyjno-komunikacyjnej lub przy przetwarzaniu energii słonecznej. Partnerzy projektu obejmują cały łańcuch wartości, od rozwoju elementów po ich przemysłowe wykorzystanie.

Niski pobór energii i wysokie osiągi to kluczowe wymagania nowoczesnych systemów konwerterów mocy. Powinny one oszczędzać zasoby i jednocześnie obsługiwać coraz większe ilości danych. Tranzystory mocy są podstawowymi elementami elektronicznych konwerterów mocy, które przekształcają prąd stały i zmienny na różne napięcia. Znajdują się niemal w każdym urządzeniu technicznym; w dziedzinie technologii informacyjno-komunikacyjnych odgrywają kluczową rolę na przykład w stacjach bazowych telefonii komórkowej. Inne obszary zastosowań to zasilacze prądu stałego/zmiennego dla komputerów, sieci i magazynów energii, a także przetworniki słoneczne, pojazdy elektryczne i hybrydowe.

Projekt UE HiPoSwitch, koordynowany przez Ferdinand-Braun-Institut, przez najbliższe trzy lata będzie się zajmować nowatorskimi tranzystorami opartymi na azotku galu (GaN). Mają one zapewnić mniejsze rozmiary i wagę przyszłych systemów konwerterów mocy przy jednoczesnym zwiększeniu ich wydajności. Obecna efektywność systemów jest zwykle ograniczona przez używane elementy przełączające. Obecnie najczęściej stosuje się komponenty na bazie krzemu lub węglika krzemu. Technologia krzemowa jest już na tyle rozwinięta, że sama materia staje się ograniczeniem, albo – w przypadku węglika krzemu – jest bardzo kosztowna. Lepsze właściwości materiałowe obiecuje azotek galu (GaN). Dzięki elementom opartym na GaN można pracować z przełącznikami mocy na znacznie wyższych częstotliwościach, bez konieczności akceptowania istotnych strat przełączania. Przyczyną jest znacznie mniejszy opór włączenia tranzystorów GaN, który w połączeniu z istotnie zmniejszonymi pojemnościami wejścia i wyjścia prowadzi do znacznie lepszego zachowania podczas przełączania. Wyższa częstotliwość przełączania pozwala także na znaczne zmniejszenie rozmiarów elementów pasywnych, takich jak cewki, transformatory prądu i kondensatory – cała konstrukcja staje się mniejsza. Tranzystory są produkowane na tanich podłożach krzemowych, co czyni je bardzo atrakcyjnymi z ekonomicznego punktu widzenia, ponieważ na dłuższą metę łączą one lepsze właściwości techniczne z relatywnie niskimi kosztami.

Do projektu włączono 5,6 miliona euro, obejmując osiem europejskich partnerów; udział finansowania UE wynosi 3,6 miliona euro. Kompetencje partnerów obejmują cały łańcuch wartości, od badań i rozwoju (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH); Słowacka Akademia Nauk; Wiedeński Uniwersytet Techniczny; Uniwersytet w Padwie) po przemysłowe wykorzystanie (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). Po zakończeniu projektu tranzystory GaN i wafle GaN na podłożu krzemowym o rozmiarze 200 mm będą dostępne przemysłowo i będą wprowadzane na rynek na całym świecie.

Silne powiązania: rozwój elementów i transfer technologii do przemysłu
Ferdinand-Braun-Institut w Berlinie oraz Infineon Technologies Austria wspólnie rozwijają w ramach projektu samoczynnie blokujące tranzystory GaN w architekturze pionowej. Budowa tranzystorów odbywa się głównie na waflach GaN na krzemie firmy EpiGaN; w celu porównania struktur testuje się również wafle GaN na węgliku krzemu (SiC) z FBH. Moduły procesowe z FBH mają być jak najszybciej przeniesione na masową produkcję przemysłową w Infineon. Badane są także koncepcje eksploracyjne dotyczące nowatorskich samoczynnie blokujących tranzystorów GaN, które mogą pracować nawet w wysokich temperaturach do 250°C. W tym celu głównie Wiedeński Uniwersytet Techniczny i Słowacka Akademia Nauk w Bratysławie już na etapie projektu opracowują podstawy przyszłego rozwoju technologii. Wszystkie prace rozwojowe są wspierane przez ciągłe, intensywne badania niezawodności i awaryjności. Szczególnie Uniwersytet w Padwie wnosi tutaj swoje szerokie doświadczenia w testach niezawodności elementów GaN i mechanizmach awarii.

Równolegle do rozwoju elementów, partnerzy przemysłowi pracują nad transferem technologii do środowiska przemysłowego w celu produkcji dużych serii: belgijska firma EpiGaN koncentruje się na rozwoju epitaksji GaN na krzemie o rozmiarze 200 mm, podczas gdy niemiecka firma AIXTRON optymalizuje swoje reaktory epitaksji pod kątem wydajności dużych ilości. Infineon Technologies Austria AG ocenia w swojej linii procesowej opracowane koncepcje tranzystorów oraz wafle GaN na krzemie od EpiGaN. Artesyn Austria zamierza zademonstrować wydajność nowo opracowanej technologii na podstawie wysokowydajnego inwertera kilowatowej klasy, który ma być używany na przykład w stacjach bazowych najnowszej generacji dla komunikacji mobilnej.