Znak Politechniki Warszawskiej

Tranzystory z półprzewodników szerokopasmowych w energoelektronice

W jaki sposób przekształcać energię elektryczną przy jak najmniejszych stratach mocy? Nad wykorzystaniem do tego celu tranzystorów wykonanych z półprzewodników o szerokim paśmie przewodzenia - węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN) pracują badacze w Zakładzie Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej.

Krzemowe straty energii

W nowoczesnych społeczeństwach większość energii elektrycznej jest przekształcana na drodze między jej producentem a odbiorcą. Przy każdym takim przekształceniu część energii jest tracona. Bardzo często układem, który dokonuje dopasowania formy energii elektrycznej do potrzeb jej odbiorcy jest przekształtnik energoelektroniczny.

Można wskazać tutaj całą gamę przykładów począwszy od miliardów małych ładowarek do smartfonów pracujących przy mocach pojedynczych watów, po przemysłowe napędy elektryczne, których moc znamionowa liczona jest w megawatach. Sercem każdego bez wyjątku przekształtnika energoelektronicznego są przełączające tranzystory mocy, na których z reguły pojawia się istotna część strat. Dlatego droga do uzyskania oszczędności w procesie konwersji energii elektrycznej bez wątpienia wiedzie poprzez opracowanie i zastosowanie lepszych elementów półprzewodnikowych.

Od dziesiątek lat elementy takie wytwarza się przede wszystkim na bazie krzemu (Si). Tymczasem istnieją materiały półprzewodnikowe o istotnie lepszych właściwościach fizycznych, takie jak na przykład węglik krzemu (SiC). Elementy półprzewodnikowe wykonane z takiego materiału znacząco przewyższają swoimi parametrami swoje krzemowe odpowiedniki. Ponieważ wytworzenie węglika krzemu i jego dalsza obróbka są dużo trudniejsze, wiele lat zajęło opracowanie technologii produkcji przyrządów mocy, które spełniałyby wymagania stawiane im w energoelektronice. Przełom nastąpił pod koniec pierwszej dekady XXI w., kiedy w otwartej sprzedaży pojawiły się pierwsze tranzystory złączowe (JFET) będące w stanie pracować przy napięciach powyżej kilowolta i prądach rzędu kilkudziesięciu amperów. I zgodnie z oczekiwaniami miały zdecydowanie lepsze parametry od powszechnie stosowanych elementów krzemowych.

Węglik krzemu = nowe możliwości

Badacze z Zakładu Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej pod kierownictwem prof. Romana Barlika od 2005 roku pracujący nad możliwościami zastosowania diod Schottky'ego z węglika krzemu w 2008 roku uzyskali dostęp do nowej technologii tranzystorów SiC JFET. Koszt tych elementów prototypowych był wielokrotnie wyższy od porównywalnych elementów krzemowych, jednak pierwsze badania w laboratorium pokazały, że były warte swojej ceny. Potrafiły przechodzić miedzy stanami wyłączenia i załączenia w ciągu kilkudziesięciu nanosekund, tj. w czasie nieosiągalnym dla tranzystorów Si o podobnych parametrach, co zmniejsza ilość energii wytracanej w czasie takich przełączeń. W ramach projektu badawczego kierowanego przez Jacka Rąbkowskiego podjęto próbę zastosowania nowych tranzystorów w przekształtnikach energoelektronicznych. Pierwszy w Polsce i jeden z pierwszych w świecie układów trójfazowych zbudowanych wyłącznie z węglika krzemu powstał w laboratorium ZEP w 2009 roku. Szybkość elementów SiC wykorzystano w tym przypadku do 10-krotnego podniesienia częstotliwości przełączeń tranzystorów do 100 kHz, co pozwoliło znacząco zmniejszyć wymiary i wagę towarzyszących tranzystorom elementów biernych - dławików i kondensatorów. 

Nowe elementy SiC pozwalają budować dużo lepsze przekształtniki energoelektroniczne - kilka lat pracy zajęło badaczom z szeregu zespołów naukowych na świecie przekonywanie o tym świata przemysłu. W tym celu budowane były układy demonstratorów pokazujące możliwość użycia nowych przyrządów mocy w różnych aplikacjach. I tak na przykład grupa badaczy z KTH w Sztokholmie, w skład której wchodził Jacek Rąbkowski, opracowała falownik napędowy o mocy 40 kVA i rekordowej sprawności energetycznej. Układ z tranzystorami SiC do zastosowania w trakcji elektrycznej wydzielał tylko ok. 0.3% strat mocy (sprawność bliska 99.7%), tak niewiele, że konieczne okazało się opracowanie nowej metody pomiarowej bazującej na pomiarach elektro-termicznych. Standardowe metody były zbyt niedokładne - poziom strat w stosunku do układów krzemowych był 10-krotnie niższy.

1% straty mocy

Jeśli pamiętamy o tym, że dławik to z definicji element gromadzący energię elektryczną w polu magnetycznym to może nas zaskoczyć fakt, że czasem może być on równocześnie kondensatorem. Dzieje się tak przy bardzo szybkich zmianach napięcia rzędu dziesiątek woltów na nanosekundę, co ma miejsce podczas bardzo szybkiego przełączania tranzystorów z SiC. Niewielka pojemność pasożytnicza wytworzona między zwojami dławika i zgromadzony w niej ładunek elektryczny może stać się szkodliwy dla nowoczesnych urządzeń przekształtnikowych, powodując w nich m.in. zwiększenie strat mocy oraz pogorszenie jakości przekształcanej energii elektrycznej. Problemom tym próbuje zaradzić Mariusz Zdanowski, który w ramach projektu VENTURES Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, opracowuje wysokosprawne przekształtniki z elementami z SiC. Zaprojektowany oraz wykonany przez niego prototyp układu do współpracy z baterią paneli fotowoltaicznych charakteryzuje się nieporównywalnie lepszymi właściwościami użytkowymi w odniesieniu do obecnie stosowanej technologii krzemowej. Z jednej strony dzięki bardzo wysokiej częstotliwości wypadkowej prądu (0,5 MHz), przy przenoszonej mocy na poziomie 6 kW zajmuje objętość jedynie 3/4 litra, z drugiej zaś wykazuje zaledwie 1% strat mocy.

Wysoka częstotliwość, sprawność a może temperatura złącza tranzystora - elementy SiC dają naprawdę szerokie możliwości przy projektowaniu przekształtnika energoelektronicznego. W tej sytuacji znalezienie najlepszej opcji nie jest łatwe i dlatego Szymon Piasecki w swoim doktoracie pracuje nad procedurą wielokryterialnej optymalizacji parametrów przekształtnika. Jej zastosowanie pozwoli w znacznej mierze zastąpić projektanta, który ograniczy się do podania podstawowych wielkości wejściowych i zdefiniowania swoich wymagań np. uzyskanie układu o wysokiej sprawności. Algorytm genetyczny sprawdzi szereg możliwości na podstawie bazy danych elementów i zaproponuje ich zestaw optymalny wraz z parametrami projektowymi dla układu. Pierwsze efekty już widać - sieciowy przekształtnik AC/DC dedykowany do współpracy z odnawialnymi źródłami energii zaprojektowany i zbudowany w laboratorium osiągnął sprawność bliską 99%.

Blisko dziesięć lat doświadczeń z najnowszą technologią elementów półprzewodnikowych to nie tylko sukces naukowy i rozpoznawalność zespołu z ZEP w świecie. Ważne jest także to, że krajowi przedsiębiorcy z sektora energoelektroniki mają bezpośredni dostęp do najnowszych osiągnięć w tym samym czasie, co ich konkurenci z krajów takich jak USA, Japonia czy Niemcy. Dzięki finansowaniu wspólnych projektów przez NCBR tranzystory SiC już wkrótce pomogą poprawić parametry polskich przekształtników energoelektronicznych.