Вряд ли кто будет сомневаться в том, что в мировой экономике сейчас происходят тектонические сдвиги. Не обошли они и электротехническую отрасль. Пересмотру подлежит как вся архитектура, так и отдельные кирпичики, из которых она складывается. То есть — элементная база. Не удивительно, что в июне 2020 г. мощные электронные компоненты стали главной темой новостей, связанных с электротехникой и электроэнергетикой.
SiC против GaN
Сейчас основой силовой электроники является кремний, он постепенно уступает свое место карбиду кремния (SiC) и нитриду галлия (GaN). Причем если еще год назад предполагалось, что каждый из двух указанных материалов просто займет свою нишу, то теперь речь идет об их конкуренции за некоторые сегменты рынка.
GaN-транзисторы, по сравнению с SiC-транзисторами имеют меньшее время переключения. Благодаря данной особенности инверторы на основе GaN-устройств работают на более высоких частотах, что позволяет уменьшить размеры трансформаторов и конденсаторов. Кроме этого, малое время переключения уменьшает тепловыделение, в результате теплоотводы для GaN-транзисторов в несколько раз меньше и легче, чем для SiC-приборов, коммутирующих ток той же силы.
Но GaN-транзисторы способны выдерживать напряжение не более 650 В, когда использование SiC поднимает планку до 15 кВ. Поэтому изначально предполагалось, что GaN будет использоваться для напряжений не более 600 В, SiC — выше указанного значения. Планируемый переход на аккумуляторные батареи напряжением 800 В дал стимул к массовому использованию в электромобилях именно SiC-транзисторов.
Компании Vitesco Tecnologies (Германия) и ROHM Semiconductors (Япония) заключили соглашение о разработке решений на основе SiC-транзисторов для использования в электромобилях. Причем речь идет не только о решениях на напряжение 800 В, но и о решениях на 400 В, где могут использоваться GaN-транзисторы.
Другая «сделка месяца» — лицензирование компанией II‐VI Incorporated (США) технологии производства полупроводниковых приборов и модулей на основе SiC, разработанной GE. Стратегия II‐VI Incorporated заключается в увеличении выпуска 150 мм пластин SiC в 5-10 раз. Одновременно в течение ближайших пяти лет планируется развивать выпуск пластин диаметром 200 мм. Увеличение диаметра пластин, из которых изготавливаются SiC-приборы позволит нарастить объемы производства транзисторов и снизить их себестоимость. SiC-решения предназначаются в том числе и для передатчиков мобильной связи 5G, где лидерство GaN-технологии изначально не вызывало сомнений.
Но технология GaN не собирается уступать свое место, в том числе и в области создания оборудования для электромобилей.
В июне компанией Nexperia (Нидерланды) были представлены GaN-транзисторы второго поколения. Эта серия получила название GaN HEMT H2. Первые транзисторы из данной серии — GAN041-650WSB и GAN039-650NBB. Гарантируется работа при напряжении до 650 В, тем не менее, пиковое значение напряжения может достигать 800 В.
В будущем Nexperia планирует довести рабочее напряжение GaN-приборов второго поколения до 900 В, а затем и 1200 В. Тем самым появится реальная возможность применять GaN-транзисторы в электромобилях с аккумуляторной батареей 800 В. В качестве важного преимущества GaN-транзисторов специалисты Nexperia указывают более простую схему драйвера затвора, так как SiC-ключи управляются двухполярным напряжением, а коммутаторы на GaN — только однополярным. В итоге GaN-транзисторы позволяют сделать оборудование электромобиля более легким и компактным.
Впрочем, не исключено, что как GaN, так и SiC в отдаленном будущем вытеснит в силовой электронике другой материал — оксид галлия. В июне 2020 г. университет Баффало (США) сообщил на своем сайте о том, что его ученым удалось создать мощный транзистор на основе данного материала, способный выдержать напряжение до 8 кВ. Особенностью транзистора являются его малые размеры. Исследователи сообщают, что толщина транзистора такая же, как и у листа бумаги.
Исследования в области оксида галлия параллельно вели российские ученые из университета ИТМО. Они сфокусировались на создании технологии массового производства монокристаллов данного полупроводника, на основе которых другие организации в России или за рубежом могут заняться выпуском транзисторов.
Тороидальные трансформаторы начинают и выигрывают
Самые первые низковольтные трансформаторы, нашедшие практическое применение, были тороидальными. Но сложность изготовления таких трансформаторов и, самое главное, низкая механическая прочность, затрудняющая установку и обслуживания, привели к тому, что более распространенными стали броневые трансформаторы с магнитопроводами из Ш-образных пластин. Хотя с точки зрения электрических параметров тороидальные трансформаторы имеют немало преимуществ.
Это весьма удивительный факт, но пандемия коронавируса привела, в том числе, и к росту производства тороидальных трансформаторов. Причиной тому стало увеличение выпуска медицинского оборудования, для которого критичен уровень электромагнитных помех, создаваемых блоком питания. В ряде случаев применение импульсных блоков питания в медицинской технике недопустимо. На основе тороидального трансформатора можно сконструировать линейный блок питания, который по массогабаритным характеристикам сопоставим с импульсным той же мощности, но не создает помехи. Кроме этого, сам тороидальный трансформатор почти не дает побочных излучений в окружающее пространство.
Компания Nuvotem Talema (Германия) начала поставки новой серии низковольтных тороидальных трансформаторов, специально спроектированных для питания медицинской техники. При их производстве используется запатентованная конструкция оболочки сердечника, разделяющая перегородками первичную и вторичную обмотки с целью повышения электробезопасности.
Проблему низкой механической прочности Nuvotem Talema решила путем использования защитного кожуха. Пространство между ним и обмотками заполнено компаундом с высокой теплопроводностью.
Раньше такое решение применялось только для тороидальных трансформаторов с мощностью не более 100 ВА. В новой серии есть трансформаторы с заливкой компаундом мощностью до 500 ВА. Также компания предлагает для использования в медицинском оборудовании тороидальные трансформаторы мощностью до 1000 ВА открытого типа.
Питание для датчиков
Внедрение «интернета вещей» (IoT) в электроэнергетику требует решения проблемы электропитания датчиков. Ведь именно когда происходит сбой в поставках электроэнергии, датчики должны обеспечить передачу информации о том, что произошло. Сейчас в них обычно используют литий-ионные элементы питания цилиндрической формы типоразмеров AA или AAA в количестве 4 штук, способные, в отличие от «таблеток», выдерживать большую пиковую нагрузку в моменты передачи данных.
Компания NAWA Technologies в июне представила технологию, которая позволит использовать для питания датчиков 3 литиевых элемента типа «таблетка». Для этого совместно используются элементы питания и суперконденсаторы. В дежурном режиме питание осуществляется от батареек, одновременно от них происходит заряд суперконденсаторов.
При работе передатчика питание устройства осуществляется в основном от суперконденсаторов, что позволяет применять миниатюрные батарейки. По утверждению разработчиков, инновация позволяет сократить размеры и массу IoT устройства на 60 %.
Интересно, что изначально данная технология была разработана NAWA Technologies для электромотоцикла NAWA Racer, но там использовалась комбинация литий-ионного аккумулятора и суперконденсатора. Наличие суперконденсатора, способного быстро отдать большое количество электроэнергии, позволило реализовать режим, который в мотоциклах с двигателями внутреннего сгорания именуется «поддать газа». Потом, когда электромотоцикл произвел настоящий фурор среди ценителей двухколесного транспорта, разработчики технологии задумались о ее более широком применений.
Индия вместо Китая
Некоторые из описанных здесь новинок будут производить в Китае, но это не точно. Торговая война Китая и США, претензии к Китаю в связи с эпидемией коронавируса — все это заставляет производителей пересматривать планы по размещению заказов.
Правительство Индии, почувствовав возможность потеснить Китай на рынке высокотехнологичной продукции, сообщило в июне 2020 г. о программе развития производства компонентов и электронных устройств. Предполагается, что к 2025 г. в этой сфере будет создано 1,5-2 млн. рабочих мест. Планируется увеличить выпуск электронных изделий с $70 млрд. в 2019 г. до $106 млрд. в 2025 г. Производство будет развиваться по кластерной схеме, хорошо зарекомендовавшей себя в Китае.
Одновременно Индия приняла меры по ограничению импорта электроэнергетического оборудования из Китая. Теперь оно будет в обязательном порядке проверяться на наличие «закладок», «троянов» и другого нежелательного программного обеспечения. С 1 августа повышаются пошлины на китайское оборудование для солнечной энергетики. В условиях, когда Индия сделала серьезную ставку на солнечную энергетику (в правительстве страны есть даже министерство новых и возобновляемых источников энергии), а программа развития собственного производства солнечных панелей оказалась фактически проваленной, эта мера носит скорее политический, чем экономический характер.
Впрочем, для российских производителей это реальный шанс прорваться на перспективный индийский рынок. Богатый опыт сотрудничества наших стран позволяет как минимум не исключать такую возможность.
Автор: Алексей Васильев
