English version
Nová generace elektronických součástek vzniká díky spolupráci firem s českými vědci. Tým profesora Pavla Hazdry z katedry mikroelektroniky Fakulty elektrotechnické Českého vysokého učení technického v Praze se podílí na vývoji komponentů, které budou podstatně odolnější než ty stávající z křemíku a umožní především zvýšení účinnosti výroby a přenosu elektrické energie z obnovitelných zdrojů.
V rámci nadnárodního projektu SPEED (Silicon Carbide Power Electronics Technology for Energy Efficient Devices) se vědci zaměřují na vývoj polovodičových součástek využívajících karbidu křemíku a jejich aplikací v elektronických systémech. Cílem výzkumu je vývoj ucelené průmyslové technologie, začínající výrobou kvalitních karbido-křemíkových monokrystalů, na kterých lze realizovat nové typy součástek schopných pracovat při vysokých napětích, frekvencích a teplotách.
Součástka zvládne vyšší teploty
Tyto komponenty budou mimo jiné využity pro konstrukci moderních výkonových měničů typu SST, které jsou nezbytným prvkem rozvoje inteligentních energetických sítí. „Nové součástky na bázi karbidu křemíku mohou zpracovávat vyšší výkony a pracovat na vyšších frekvencích než křemíkové. Na rozdíl od křemíku karbid funguje i při extrémně vysokých teplotách. Díky tomu je jednodušší chlazení a součásti systému mohou být menší a lehčí,“ zdůrazňuje Pavel Hazdra.
„Součástky jsou v praxi určeny pro nehostinné prostředí, karbidovou elektroniku můžeme umístit tam, kam křemík nelze, například přímo do kontaktu s rozehřátým motorem. Vyvíjíme aplikace pro generátory větrných elektráren, měniče elektromobilů a elektrické trakce i inteligentní energetickou síť. Cílem je snížení rozměrů a zvýšení energetické účinnosti a spolehlivosti vyvíjených zařízení,“ dodává Pavel Hazdra.
Partnery fakulty v sedmnáctičlenném konsorciu projektu jsou průmysloví giganti ABB, Infineon, či ENEL, ale i společnosti jako Norstel, Ascarton a další. „Takto specifická spolupráce v oblasti výzkumu s vysokými školami je pro výrobní sféru i danou vysokou školu velmi přínosná,“ doplňuje Jana Vašíčková, personální ředitelka ABB ČR.
Nižší hmotnost i cena
Jaké budou výhody použití karbidů křemíku v praxi? Například srovnání dvou špičkových 10kW měničů s křemíkovými a karbido-křemíkovými součástkami podle Pavla Hazdry ukazuje, že užití karbidové elektroniky umožňuje pracovat na pětkrát vyšší frekvenci s účinností o 18 procent vyšší. „Současně dochází k několikanásobnému snížení rozměrů a hmotnosti celého systému včetně snížení jeho ceny,“ podotýká vědec.
„Karbidové součástky se v daném systému méně zahřívají, a to až o 40 stupňů, což zvyšuje spolehlivost a životnost celého systému,“ upozorňuje Pavel Hazdra. Využití karbidové elektroniky v těchto součástkách tak přináší celkové zvýšení účinnosti konverze v řádu desetin procenta. I když to na první pohled není mnoho, dopad může být významný. „V současné době by se tak v kontextu české fotovoltaiky jednalo o úspory řádu jednotek až desítek MW,“ srovnává Pavel Hazdra .
Výhodné je také užití karbidů křemíku v elektromobilech a automobilech s hybridním pohonem. „V tomto případě dochází jak k významnému snížení ztrát, tak především snížení hmotnosti a rozměrů elektronické části, které může významným způsobem ovlivnit dojezd a jízdní vlastnosti těchto automobilů v budoucnosti,“ popisuje vědec další možné využití nové technologie.
Projekt odstartoval v lednu roku 2014 a ukončen by měl být v roce 2017. Mimo tento výzkum zůstává další potenciální využití karbidů křemíku v energetice. Například zvýšení účinnosti solárních panelů. „Ve fotovoltaice však není příliš využíván. Karbid křemíku má řadu parametrů lepších než křemík, až na jeden, a tím je cena. Výroba fotovoltaických panelů je především o snižování nákladů a zde monokrystalický karbid křemíku nemůže křemíku konkurovat. Elektronika z karbidu křemíku však může výrazně zvýšit účinnost měničů pro fotovoltaické parky a taktéž snížit jejich cenu,“ vysvětluje Pavel Hazdra.
Pro výrobu levných a účinných fotovoltaických panelů může být podle něj vhodný karbid křemíku v mikrokrystalické formě, který je však zatím předmětem základního výzkumu.
Dalibor Dostál
