Przy rosnących cenach energii, spowodowanych sytuacją geopolityczną, uwaga konsumentów, w szczególności dużych odbiorców energii elektrycznej skupiona jest na oszczędzaniu i ograniczaniu jej zużycia. Działania podejmowane w tym zakresie wychodzą znacznie poza ramy wynikające z zaleceń oraz dyrektyw europejskich, dotyczących transformacji energetycznej oraz odnawialnych źródeł energii.
Racjonalne wykorzystywanie energii ważne jest zarówno dla dużej infrastruktury użyteczności publicznej, firm produkcyjnych, instytucji zarządzających pomieszczeniami biurowymi i magazynami, jak również dla odbiorców domowych. Wymuszona zmiana sposobu myślenia o poszanowaniu energii elektrycznej rozbudza nadzieję na zdecydowanie bardziej rewolucyjne zmiany w zakresie dynamiki wdrażania najnowocześniejszych technologii wpływających na poprawę sprawności energetycznej w procesie przekształcania energii elektrycznej.
Takie przekształcanie polega na dopasowaniu napięć i prądów do poziomów wymaganych przez określone urządzenie elektryczne, co wydaje się współcześnie kwestią zupełnie oczywistą. Natomiast analiza poziomu strat energii elektrycznej, wynikająca z procesu jej przekształcania, nie jest już zagadnieniem tak oczywistym. Często była pomijana w okresie wysokiej stabilności cen energii.
Doskonalenie konstrukcji
Energia elektryczna jest od ponad pół wieku przekształcana i formowana z wykorzystaniem układów prostowniczych, falownikowych oraz przetworników określanych wspólnym mianem przekształtników energoelektronicznych. W ich skład wchodzą komponenty półprzewodnikowe, wytwarzane w technologii krzemowej, głównie diody, tranzystory oraz tyrystory mocy. Relatywnie niski koszt przyrządów półprzewodnikowych wytwarzanych w technologii krzemowej, doprowadził do szybkiej i skutecznej adaptacji tej technologii w przekształtnikach energoelektronicznych.
Po opracowaniu i przetestowaniu najpopularniejszych podstawowych topologii układów przekształtnikowych i weryfikacji ich funkcjonowania, producenci tranzystorów mocy skupili się w głównej mierze na doskonaleniu ich konstrukcji. Dotyczyło to poprawy szybkości ich działania (tranzystory DMOS) oraz wydajności prądowej (tranzystory IGBT). Pierwsze poważne problemy konstrukcyjne pojawiły się w momencie zdefiniowania bardzo silnej zależności pomiędzy maksymalną prędkością przełączania tranzystora, jego wydajnością prądową oraz maksymalnym napięciem pracy.
Ograniczenia technologii krzemowej w przypadku przyrządów mocy dały najwyraźniej o sobie znać przy jednoczesnej optymalizacji częstotliwości pracy i napięcia przebicia. Opracowanie jeszcze bardziej wyrafinowanych konstrukcyjnie tranzystorów (super junction MOS) pozwoliło w tym przypadku przyśpieszyć ich działanie, ale niestety kosztem maksymalnego napięcia pracy. Fizyka półprzewodników wyraźnie dała o sobie znać, a pewnych barier wynikających z właściwości elektro-fizycznych krzemu po prostu przekroczyć się nie udało. Wydajność prądowa tranzystora i jego maksymalne napięcie pracy są parametrami silnie skorelowanymi w każdej technologii półprzewodnikowej. Wyraźne zwiększenie napięcia pracy tranzystora o założonej wydajności prądowej albo wyraźne zwiększenie wydajności prądowej dla określonej klasy napięciowej tranzystora wymaga zmiany używanego w technologii półprzewodnika na materiał charakteryzujący się szerszą przerwą energetyczną.
Nowe materiały półprzewodnikowe
Od momentu określenia fundamentalnych ograniczeń technologii krzemowej oczywistością staje się konieczność poszukiwania nowego materiału półprzewodnikowego z szeroką przerwą energetyczną, który w przyszłości zastąpi krzem w zastosowaniach energoelektronicznych. Wyboista i trudna jak się okazało droga poszukiwania kolejnego materiału rozpoczyna się już w latach 70-tych ubiegłego wieku, a doskonalenie technologii wytwarzania odpowiedniej jakości kryształu zajęło naukowcom ponad 30 lat.
Materiałem, który z całą pewnością zmieni w przyszłości oblicze nowoczesnej energoelektroniki, okazał się węglik krzemu (SiC). Materiał ten charakteryzuje się trzykrotnie szerszą przerwą energetyczną w porównaniu z krzemem. W przypadku określonej klasy napięciowej przyrządów półprzewodnikowych pozwala to na ponad 100-krotne obniżenie rezystancji przyrządu w stanie włączenia. Przekłada się też w pewnym uproszczeniu na ograniczenie o 60-70% sumy statycznych oraz dynamicznych strat mocy rozpraszanych w postaci ciepła. Jakość uzyskiwanych podłoży SiC umożliwiła komercjalizację szybkich diod półprzewodnikowych mocy na początku XXI wieku. Około 10 lat później pojawiły się na rynku pierwsze, doskonalone do chwili obecnej, tranzystory MOSFET wykonane w technologii SiC.
Rekordowe sprawności energetyczne
Jednym z pierwszych zastosowań nowoczesnych przyrządów półprzewodnikowych SiC stały się aktywne układy korekcji współczynnika mocy (PFC) oraz systemy gwarantowanego zasilania (UPS). Wykorzystywane w tych rozwiązaniach szybkie diody SiC pozwoliły na uzyskanie rekordowych sprawności energetycznych w przypadku systemów zasilania. Podstawową siłą napędową prezentowanej technologii okazały się jednak pojazdy z napędem hybrydowym (PHEV) oraz napędem elektrycznym (BEV).
Czynnikiem decydującym o wysokim zapotrzebowaniu na nowoczesne półprzewodniki okazała się nie tylko wyraźnie podwyższona zdolność do przetwarzania dużej mocy, ale przede wszystkim możliwość niskostratnego przełączania wysokich napięć i prądów ze znacznie wyższą częstotliwością. Zwiększenie częstotliwości przełączania elementów półprzewodnikowych o co najmniej rząd wielkości od poziomu kilkudziesięciu do kilkuset kHz pozwala przede wszystkim zmniejszyć gabaryty oraz masę niezbędnych do opracowania układów przekształtnikowych komponentów pasywnych (cewki, kondensatory). W przypadku pierwszych opracowań napędów pojazdów PHEV oraz BEV pozwoliło to na zmniejszenie wymiarów oraz masy napędu o odpowiednio 50% oraz 30%. W przypadku poprawnie zaprojektowanych, dedykowanych układów falownikowych możliwe jest uzyskanie ekstremalnie wysokiej sprawności energetycznej na poziomie powyżej 99% dla nominalnej wydajności prądowej przekształtnika.
Bariera dla implementacji przyrządów SIC
Skuteczna komercjalizacja przyrządów półprzewodnikowych SiC nie jest niestety jednoznaczna z tempem ich adaptacji w konstrukcjach przekształtników innych niż zastosowania motoryzacyjne. Okazuje się bowiem, że największa zaleta nowej technologii półprzewodnikowej, polegająca na zwiększeniu częstotliwości pracy układów przekształtnikowych, stała się w pewnym sensie barierą dla implementacji przyrządów SiC w nowoczesnych rozwiązaniach. Wykorzystanie pełnego potencjału nowej technologii półprzewodnikowej wymaga zwiększenia częstotliwości pracy układów przekształtnikowych. To z kolei nie pozwala na zamianę jeden do jednego krzemowych przyrządów półprzewodnikowych na nowe diody i tranzystory w istniejących już projektach układów przekształtnikowych w celu uzyskania wysokiej sprawności energetycznej. Układy przekształtnikowe dla nowoczesnej energoelektroniki muszą zostać zaprojektowane od podstaw z wykorzystaniem nowoczesnych, dedykowanych materiałów magnetycznych, indukcyjnych oraz kondensatorów przygotowanych do pracy w wyższych częstotliwościach.
Wyższa częstotliwość pracy układów przekształtnikowych wymaga jednocześnie odpowiedniej wiedzy na temat projektowania obwodów drukowanych zapewniających odpowiedni poziom kompatybilności elektromagnetycznej. Minimalizujących jednocześnie wpływ efektów pasożytniczych, wynikających chociażby z indukcyjności samych ścieżek połączeniowych. Piętrzące się na etapie projektowania problemy związane z uwzględnieniem efektów pasożytniczych oraz zagadnień termicznych często zniechęcają projektantów do stosowania dostępnych nowoczesnych rozwiązań, ze względu na ograniczone doświadczenie w projektowaniu takich układów. Zmniejszające się wymiary układów przekształtnikowych prowadzą nieuchronnie do zwiększenia gęstości mocy finalnych rozwiązań, które już dawno przekroczyły wartość 1 kW/dm3, a często nawet 5 kW/dm3. Odprowadzanie ciepła z tak ograniczonej objętości przestrzeni zamkniętych wymaga podjęcia wstępnych działań na etapie projektowania obwodów drukowanych, obudów urządzeń przekształtnikowych oraz uwzględnienia wielu zagadnień związanych z przewodnością cieplną, rozszerzalnością termiczną materiałów, mikromechaniką.
Zalety nowoczesnych rozwiązań
Wracając do tematyki rozważanej na wstępie należy oczekiwać, że wszystkie czynniki związane z kryzysem energetycznym będą wpływać w pozytywny sposób na zdecydowane przyśpieszenie prac mających na celu adaptację nowoczesnych rozwiązań oraz implementację przyrządów półprzewodnikowych w zaawansowanych układach przekształtnikowych. Dużym i dobrze nastawionym do nowoczesnych rozwiązań rynkiem jest sektor produkcji przekształtników do przetwarzania energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Nowoczesne przyrządy będą wchodziły w skład układów mikrofalownikowych współpracujących z instalacjami fotowoltaicznymi.
Zaawansowane układy mikrofalownikowe współpracujące z pojedynczymi panelami fotowoltaicznymi i montowane bezpośrednio pod nimi sprzyjają uproszczeniu instalacji. Zwiększają poziom jej bezpieczeństwa pożarowego z uwagi na zmniejszenie wartości napięcia DC w instalacji (do 60 V). Przyczyniają się przede wszystkim do znaczącego zwiększenia sprawności energetycznej instalacji narażonych na częściowe zacienienie na skomplikowanych, wielospadowych konstrukcjach dachowych. Wraz ze wzrostem nominalnych mocy należy się spodziewać jeszcze skuteczniejszej adaptacji nowoczesnych technologii w przekształtnikach współpracujących z turbinami wiatrowymi oraz tworzących podstawowe, krytyczne układy ładowania pojazdów PHEV oraz BEV, zarówno po stronie pojazdów, jak również po stronie zewnętrznych układów ładowania z uwagi na postęp w zakresie miniaturyzacji. Znacznych oszczędności energii elektrycznej oraz miniaturyzacji należy się spodziewać w elektrycznych systemach dźwigowych i to zarówno w przypadku rozwiązań windowych, jak również zastępowania przemysłowych podnośników (wyciągarek) z napędem spalinowym podnośnikami elektrycznymi.
Uwzględniając wschodzący etap rozwoju prezentowanych technologii oraz modele wdrażania opisywanych technologii w krajach wysokorozwiniętych, warto w tym miejscu podkreślić, że jednym z najskuteczniejszych sposobów opracowywania nowoczesnych przekształtników jest dobrze zaaranżowana współpraca przedstawicieli środowiska biznesowego z uczelniami technicznymi oraz instytutami badawczo-rozwojowymi. Pozwala to na efektywny transfer wiedzy i rozwiązań wypracowanych w tym zakresie w ostatnich latach w ośrodkach naukowych.
Prof. dr hab. inż. Mariusz Sochacki
Kierownik Zakładu Technologii Mikrosystemów i Materiałów Elektronicznych w Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej
