 Электроэнергия, конечно же, выходит из розеток. Но вряд ли любое электронное устройство может принимать нормальное сетевое напряжение. К примеру, компьютеры, смартфоны, светодиоды, и зарядные устройства, не могут использовать электрическую энергию в таком виде - напряжение линии должно быть преобразован из переменного тока в постоянный, для примера. Обратное преобразование также широко используется, например, в солнечных инверторных панелях. Преобразователи использовать транзисторные переключатели в качестве ключевых компонентов для достижения этой цели. Сверхбыстрые полупроводники переключатели, способные гораздо более эффективно управлять этими видами преобразователей, были разработаны в недавно завершенном европейском групповой проекте под названием HiPoSwitch. Восемь европейских институциональных и промышленных партнеров проекта во главе с институтом Фердинанда-Брауна и институтом Лейбница успешно разработали прототип силовых транзисторы, которые используют нитрид галлия (GaN) в режиме повышения.
Преобразователи, использующие эти новые транзисторы из арсенид-нитрида, имеют менее половины потерь по сравнению с существующими технологиями и делают эффективность преобразования на более чем 98% практичной. Большая часть потребляемой первичной энергии может быть сохранена с их широким применением. «Более 3000 тераватт-часов электроэнергии генерируются в Европе ежегодно», объясняет Йоахим Вурфл, руководитель проектов HiPoSwitch и GaN Electronics Business Area. «Если вы только преобразуете четверть электроэнергии, произведенного в Европе в год, на другой уровень и повысите уровень эффективности на два процентных пункта, вы можете отключить по крайней мере, два угольных завода», говорит Вурфл.
Рука об руку: от высокопроизводительных материалов для техники массового производства
Нитрид галлия обладает идеальными физическими свойствами для полупроводника. «Компоненты нитрида галлия являются очень эффективными и быстрым силовыми выключателями. И это потому, что они имеют низкое сопротивление в открытом состоянии с незначительными потерями,», подчеркивает Вурфл. В то же время, более высокие частоты переключения означают, что пассивные элементы силового преобразователя, то есть катушки индуктивности и конденсаторы, могут быть значительно меньше по размеру, - что уже является определенным улучшением на стороне системы. Нитрид галлия уже был использован в микроволновых транзисторах в течение долгого времени, и применяется в основном тонких слоях субстратов карбида кремния (SiC). Эта технология была усовершенствована в течение последних нескольких лет для 600-вольтных транзисторных переключателей. «Это хорошо работает, но является слишком дорогим для массового рынка. В качестве альтернативы, процессы, разработанные для карбида кремния, могут быть переданы на значительно более экономически эффективные, но технологически более сложные кремниевые субстраты», объясняет Вурфл.
Успехи в проекте HiPoSwitch подходят рука об руку из института Лебница. Среди других достижений, институт был успешен в оптимизации обработки переключения транзисторов GaN на SiC и кремний (Si), что привело к возможности идеальных компонентов. Среди прочего, комплексные исследования дрейфа и деградации эффектов, осуществленные Падуанским университетом и Венском университете заложила основу для этого. Готовые транзисторами были наконец собраны в малоиндуктивных корпусах ThinPAK, произведенных Infineon в Малайзии. «Отдельный транзистор измерят только 4,5 х 2,5 мм и оптимизирован для переключения 600 вольт. Он имеет сопротивление в 75 мОм и обрабатывает максимум 120 ампер. Мы единственные в Европе, кто может производить эти виды транзисторов в настоящее время, "говорит Вурфл.
Бельгийская компания EpiGaN вместе с изготовителем Aixtron перевела эпитаксию на кремний - так что производственные затраты для субстратов упали более чем в десять раз. В то же время диаметр пластины был увеличен до 6", или даже 8", что являлось необходимым шагом на пути рентабельного промышленного производства. Производитель чипов Infineon согласовывался с недавно разработанной технологии GaN с технологической линии кремния для промышленного производства силовых полупроводников в их австрийском месте в Виллахе.
Часть проекта обладала «исследовательским характером», как выразился WURFL, из-за совершенно новых методов и процессов для реализации мощных транзисторов нитрида кремния, что никогда раньше не было опробовано. Перспективные идеи для производства полупроводников были успешно протестированы вместе с коллегами из Университета Вены и Академии наук в Братиславе, Словакия.
Австрийская компания Artesyn позиционируется в конце этой цепочки в качестве партнера системы уровня. Они разработали 3-кВт выпрямитель для телекоммуникационных приложений, включая базовые станций сотовой связи. Это устройство преобразует напряжение сети в постоянное с эффективностью 98%. Специализированная топология переключения была разработана и внедрена для соответствия свойствам коммутационных транзисторов GaN. Благодаря их широкому использованию, рынок энергосберегающих силовых преобразователей стал огромным. Их меньший размер и вес делает их весьма привлекательными для использования в аэрокосмической промышленности.
|
