Dekarbonizacja dzięki innowacyjnym rozwiązaniom dla elektroniki o dużej mocy
Obecnie trend cyfryzacji i elektryfikacji napędza zapotrzebowanie na efektywną kosztowo konwersję energii elektrycznej. Układy energoelektroniczne, a tym samym energetyczne urządzenia półprzewodnikowe, są niezbędnymi elementami w prawie wszystkich źródłach energii odnawialnej. Zespół finansowanego przez Unię Europejską projektu Power2Power miał na celu zaoferowanie rozwiązań dla wyzwań społecznych, takich jak zielona transformacja, poprzez konkurencyjne, zaawansowane i oparte na krzemie (Si) technologie tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), przeznaczonych dla elektroniki dużej mocy. Projekt był koordynowany przez Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG w Niemczech. Wzięło w nim udział 43 partnerów z ośmiu krajów europejskich. „Mimo że nowe energetyczne materiały półprzewodnikowe, takie jak węglik krzemu (SiC) lub azotek galu (GaN), odgrywają ważną rolę we wspieraniu sprawnego przejścia na zrównoważone, niezależne dostawy energii, przewiduje się, że energetyczne półprzewodniki oparte na Si będą dominować na rynku nawet po 2030 roku”, mówi lider pakietu roboczego 1, Jochen Koszescha. „Nadal konieczna jest poprawa wydajności i siły europejskiego łańcucha wartości dla tych produktów”.
Innowacyjne energetyczne urządzenia półprzewodnikowe oparte na SI
W ramach projektu Power2Power udało się osiągnąć poprawę w zakresie opłacalnej produkcji wlewków krzemowych dla wysokiej jakości i wydajności wafli 300 mm, co pociąga za sobą poprawę wydajności IGBT opartych na Si dla poziomów napięcia powyżej 1 700 V. W wyniku realizacji projektu Power2Power opracowano zaawansowany rów z mikrowzorami IGBT przewyższający obecnie stosowane metody. Z kolei europejska usługa Open Access Foundry oferuje zintegrowaną technologię izolacji. Ponadto w ramach projektu Power2Power połączono badania nad rozwojem technologii, możliwościami produkcyjnymi i badaniami nad niezawodnością, odnosząc się do szerokiego zakresu zastosowań energoelektroniki w motoryzacji, przemyśle i trakcji, zwracając przy tym szczególną uwagę na integrację odnawialnych źródeł energii z siecią energetyczną. Badania te wymagały przeanalizowania wielu nowatorskich lub ulepszonych procesów produkcji półprzewodników IGBT związanych z implantacją jonów, metalizacją, optymalizacją urządzeń i wydajności oraz zapobieganiem zanieczyszczeniom. W całym łańcuchu wartości zespołowi projektu udało się wprowadzić innowacje lub udoskonalić wiele metod produkcji, takich jak bezciśnieniowe lutowanie układów scalonych, łączenie drutem, spiekanie klipsów i zautomatyzowane pakowanie. Równie ważne jest wdrażanie wiedzy specjalistycznej, w tym nowej wiedzy z zakresu procedur montażu i konserwacji, do pilotażowych linii projektu, przy wsparciu rzeczywistości rozszerzonej. Ponadto zespół projektu Power2Power wprowadził nowe segmenty usług w zakresie analizy uszkodzeń modułów energetycznych oraz badań materiałowych dotyczących efektów starzenia się modułów energetycznych. W ramach projektu udało się stworzyć znacząco ulepszone rozwiązania w zakresie zasilania wysokiego napięcia, aby znacznie ograniczyć emisję CO2 poprzez udane wykazanie niezawodności i solidności wymaganej w obszarach zastosowań w transporcie i maszynach. Osiągnięto sprawność na poziomie ponad 98% dla przetwornic i układów napędowych pojazdów elektrycznych. Koszt ładowarek taboru obniżono o 30 %, zaś okres eksploatacji ładowarek pojazdów elektrycznych wydłużono o 150 %.
Wiodąca pozycja Europy w przemyśle ECS dzięki wzrostowi produkcji IGBT
Podejście badaczy z projektu Power2Power do innowacji oparte na współpracy między europejskimi uniwersytetami, ośrodkami badań i rozwoju, dużymi przedsiębiorstwami i MŚP umożliwia zarówno tworzenie nowych, jak i wzmacnianie istniejących relacji strategicznych. Dzięki temu nastąpiła znaczna ekspansja europejskiego ekosystemu energoelektronicznego. „Pierwsze wyniki projektu Power2Power mogą się już przełożyć na dalszą industrializację i wykorzystanie przez potencjalnego klienta”, opowiada Koszescha. „Linie pilotażowe są gotowe do rozbudowy, która pozwoli sprostać przyszłemu zapotrzebowaniu na energetyczne urządzenia półprzewodnikowe gwarantujące europejską niezależność w dziedzinie energii”.
Słowa kluczowe
Power2Power, energetyczne półprzewodniki, krzem, IGBT, konwersja energii, produkcja półprzewodników, mobilność, energia odnawialna, redukcja CO2, wydłużenie okresu eksploatacji, dekarbonizacja, digitalizacja, cyfryzacja, elektryfikacja
