Vítejte, dnes je
sobota 16.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Dnes, v době chytrých telefonů a iPadů, Průmyslu 4.0 a internetu věcí, bychom si mohli myslet, že polovodičové výkonové součástky jsou již dávno v opozici. Ovšem zdání klame – například napájecí zdroje, které jsou inteligentní, digitální a nezávislé na národních sítích závisí na účinnějších obvodech řízení napájení, moderních budičích i výkonových spínačích MOSFET. Rostoucí trhy a stále širší oblast aplikací, jako jsou bezdrátové nabíjení, systémy získávání energie a digitální napájecí zdroje, jsou rovněž zdrojem poptávky po novinkách z oblasti výkonové elektroniky. Dá se říct, že dnes se svádí boj o poslední zbytek nevyužité účinnosti zařízení. Většiny inovací je přitom dosaženo ve třech hlavních směrech:
V oblasti bipolárních spínačů, především v případě diskrétních IGBT a IGBT modulů, je v současné době vidět značný nárůst aplikací, především díky větší integraci jednotlivých složek a vyšší spínací frekvenci. Spektrum aplikací přitom sahá od tradičního řízení motorů až po solární invertory ve spínaných PSU. Modulární řešení umožňuje vytvoření spolehlivých, účinných a kompaktních systémových řešení. Společnost Rutronik přitom spolupracuje s celou řadou dodavatelů, jako je Infineon, ST, Rohm, Vishay, BYD, Bosch a Vincotech, s cílem nabídnout širokou škálu tzv. state-of-the-art produktů.
Moderní unipolární spínače – polem ovládané tranzistory MOSFET, kde základním stavebním prvkem jsou kov (M) – oxid (O) – polovodič (S), řeší potřebu miniaturizace a redukce ztrátového výkonu s nízkým vnitřním odporem [Rd(son)] a nižšími parazitními kapacitami. Pro vývojáře však představují také nové výzvy, neboť jejich vlastnosti mají za následek nejen omezení ztrát, ale také vyšší spínací frekvence. K jejich dosažení přispívá také miniaturizace pouzdra a celkově menší rozměry samotného čipu. Ovládání rychlých spínacích MOSFETů a zajištění EMC je tak klíčovým úkolem při návrhu systémů. Naštěstí lze problém často řešit vhodným řízením MOSFETu a optimalizací rozložení obvodů na DPS. Méně náročné spoje a inteligentně uspořádané součástky systému mohou značně snížit parazitní vyzařování. Dokonalá koordinace a přizpůsobení budiče výkonového spínače je jedním z nejdůležitějších aspektů vývoje.
Součástky s certifikací AECQ-100 a rozšířeným teplotním rozsahem až do 125 °C jsou stále žádanější především v oblasti automobilového průmyslu. V prostředí s extrémními provozními podmínkami, jako jsou právě ty pod kapotou auta, musí dokonce odolávat teplotám až do 200 °C. Takové podmínky jsou samozřejmě výzvou pro jejich výrobce, kteří musejí být schopni splnit i takto extrémní požadavky svých zákazníků a nabídnout inovativní řešení. Bohužel zde již tradiční metody výroby selhávají a nejsou schopny zajistit plnou bezpečnost a stabilitu provozu.
Širokopásmové Gap spínače využívají vlastností karbidu křemíku (SiC) a gallia nitridu (GaN). Spínače, obecně označované jako J-FET, vynikají svými parametry, pokud jde o ztrátový výkon, i svými vynikajícími tepelnými vlastnostmi. V provozu dosahují nízké úrovně ztrátového výkonu při zachování vysoké spínací frekvence a vysokého cut-off napětí, což je zvlášť výhodné z pohledu energeticky úsporných systémů, jako jsou systémy UPS, solární, fotovoltaické či e-mobility aplikace. Aby bylo možné posoudit, zda i jejich vyšší výrobní náklady vycházející z použité technologie jsou stále ještě rentabilní, je třeba vzít v úvahu i další úspory, které v souvislosti s použitím této technologie vznikají. Například, pokud v aplikaci postačí menší pasivní součástky, lze použít i menší solenoidy a filtry. Zcela samostatnou cenovou položkou jsou pak chladiče, které mohou být také výrazně menší, pokud jde o konstrukci a velikost, nebo mohou být dokonce zcela vypuštěny.
Tyto inovace mají za cíl přispět k rozvoji efektivnějších, pohodlnějších, výkonnějších a kompaktnějších koncových zařízení. Například umožňují integrovat napájecí adaptér přímo do samotného zařízení (notebooku) nebo malým senzorům, motorům a zařízením, které jsou připojeny k internetu věcí, umožňují dosáhnout napájecí soběstačnosti. Dokonce i v případě bezdrátového přenosu energie je díky novým technologiím možné dosáhnout vyšší hustoty výkonu a provozní účinnosti. Technologie, jako jsou SiC a GaN, které jsou dnes stále v počáteční fázi svého životního cyklu, slouží jako nový impulz pro rozvoj elektronických systémů. Protože se tyto technologie dále vyvíjejí, lze očekávat jejich další expanzi i na nové trhy a aplikace. Přesto dnes nelze předpokládat, že někdy v budoucnu zcela nahradí technologicky vyspělé a maximálně spolehlivé prvky z křemíku. Ty mohou i nadále nabídnout řadu nesporných výhod v podobě robustnosti, horizontální integrace i výrobních nákladů.
