Aktuálně byla spuštěna výrobní linka pro výkonové polovodiče v Electrumlab na Královském technickém institutu (KTH) v Kista. S rostoucí potřebou elektrifikace našeho světa se také významně zvyšuje poptávka po výkonových polovodičích.
Dnes se málokdo obejde bez měničů napětí (inverterů), což jsou elektronická zařízení schopná převádět stejnosměrný proud na střídavý a naopak, a také upravovat úrovně napětí.
Tyto měniče se nacházejí v domácí elektronice, nabíječkách, elektrických automobilech a jejich nabíječkách, solárních elektrárnách, větrných turbínách a souvisejících akumulátorech, ale také v železničních lokomotivách a jako pohony pro stroje v průmyslu. Ve budoucnu budou také sloužit jako pohony elektromagnetů a čerpadel v fúzních reaktorech. Na síti se používají k převodu napětí a směně proudu pro podzemní kabely pro export elektrické energie.
Když se elektrický nákladní vůz nabíjí s výkonem několika megawattů, je nezbytné mít k dispozici polovodiče schopné řídit tok energie. K výrobě těchto komponentů jsou nutné nové výrobní linky, které umožní Evropě zbavit se závislosti na Asii. Tomuto tématu porozumělo i EU a projekt Chips Joint Undertaking převedl do čtyř linek v Evropě. Celkem Chips JU spustilo rozpočet ve výši 1,67 miliardy eur pro tuto inovaci.
O projektu jsme si povídali s profesorem MIKAELem Östlingem, který ho vede v Electrumlab v Kista, spolu s technickým vedoucím profesorem Per-Erikem Hellströmem:
„Tato výrobní linka je první svého druhu ve Švédsku, která může dodávat komponenty v megawattovém měřítku, vyrobené z karbidu křemíku na 150 mm waferech. Práce postupují rychle a KTH bude prvním, kdo dodá své komponenty na pilotní lince. Plánujeme dokončit procesní technologii do pozdního jara a doufáme, že do poloviny příštího roku budeme schopni dodávat komponenty na otevřený testovací trh pro akademickou sféru, instituty a průmysl.“
Výrobní linka
Výrobní linka KTH nese název „WBG Pilot Line pro kraftelektroniku“ (Wide Bandgap semiconductors) a rozpočet EU na spolupráci s Finskem, Polskem, Rakouskem, Itálií, Francií a Německem činí přibližně 2 miliardy korun, přičemž Švédsko obdrží přibližně 150 milionů. Švédsko je na pokraji vývoje a existují výrobní linky na KTH, Lundské univerzitě, Chalmersově univerzitě a Linköpingské univerzitě, v rámci organizace Myfab.
V případě KTH se zaměřují na karbid křemíku, avšak v jiných laboratořích se zkoumá i další, ještě extrémnější materiály, jako je hliníkový nitrid, galliumnitride a diamant.
Požadavky na zařízení s širokým zakázaným pásem
Široký zakázaný pás (wide bandgap) znamená, že tranzistory mohou zvládat velmi vysoké teploty, proudy, napětí a frekvence, až do 300 stupňů, několika stovek ampér a napětí od 3 do 15 kilovoltů při přepínacích frekvencích přes 10 kilohertzů. To vše je důležité pro udržení vysoké účinnosti u aplikací v megawattovém měřítku a minimalizaci energetických ztrát.
Vysoká účinnost tranzistorů z karbidu křemíku (SiC) plyne z možnosti jejich návrhu s velmi dlouhou vedením rezistencí, přičemž stále zvládají vysoké napětí. To je dáno vlastnostmi materiálů s širokým zakázaným pásem. Materiál vykazuje také velmi dobrou tepelnou vodivost – je levnější na chlazení a umožňuje vytvářet kompaktnější a efektivnější měnící zařízení.
Budoucnost
Málo lidí ví, že Švédsko je významnou zemí v oblasti výroby polovodičů, ale doufejme, že toto povědomí se změní. Švédsko má dobré jméno jako výrobce elektrické energie. Švédská společnost Kisab se dobře etablovala ve výrobě vysoce kvalitních křemíkových waferů, čelící silné konkurenci z Číny. Electrumlab se podílí na tažení, dodává špičkové komponenty pro velmi vysoké výkony.
Na závěr: Jakmile dojde k elektrifikaci všeho, je důležité mít na paměti, že měniče napětí s novými, vysoce efektivními polovodiči s vysokou účinností jsou nesmírně „zelené“ a prospěšné pro klima.
Další informace o technologii
Podrobnosti o výkonových polovodičích na KTH: KISILKARBID NA KTH
Více informací o Electrumlab: ELECTRUMLAB
Fakta o Electrumlab
- Čisté prostory o rozloze 1300 m2
- cca 200 aktivních uživatelů, cca 10 různých firem
- Kvalitativně schváleno podle ISO 9001 a 14001
- Disponuje modernizovaným vybavením s nejnovějšími procesními technologiemi
- Financováno převážně ze strany KTH, výzkumných projektů a Rady pro výzkum, jakož i prostřednictvím poplatků pro průmysl
Fakta o pilotní lince
- Druh tranzistorů: Spínací tranzistory v megawattovém měřítku
- Napětí mezi 5 kV a 15 kV
- V současnosti probíhá konverze některých částí procesní technologie na 150 mm průměr
