36 ELEKTRO 1/2013 téma Elektrotechnologie a elektromateriály; Elektroinstalační materiál Nitrid galia – perspektivní materiál pro výkonovou elektroniku Výkonové tranzistory jsou klíčovou sou-částkou polovodičových elektronických mě-ničů výkonu, které se obecně používají ke změně elektrické energie (DC/DC, DC/AC, AC/DC, AC/AC) a umožňují ji transformo-vat na napětí různé velikosti a charakteru [1]. Lze je nalézt právě tak v nabíječkách mobil-ních telefonů a notebooků jako i v elektric-kých pohonech, elektromobilech, ve fotovol-taických elektrárnách nebo třeba v systémech ovládání trakčních motorů rychlovlaků ICE. Jako při každé změně jedné formy energie na jinou, vznikají i v měničích napětí ztráty výkonu, které jsou určovány jejich účinností. A tak při obrovském množství měničů napětí používaných v širokém výkonovém spektru může každé zlepšení jejich účinnosti ušetřit hodně energie. Odborníci odhadují, že jen dů-sledným používáním moderní výkonové elek-troniky by bylo možné v Německu ušetřit 20 až 35 % elektrické energie.V uplynulých třech desetiletích se v polo-vodičových měničích výkonu používaly pře-vážně křemíkové unipolární tranzistory se strukturou MOSFET, které se však již při-blížily k hranici svých výkonových možnos-tí, daných fyzikálními vlastnostmi křemíku. Znamená to, že s křemíkovou technologií již nelze účinnost výkonové elektroniky v podsta-tě zvyšovat a každé další navyšování výkonu vede k nepřiměřeně velkým nákladům. Proto výrobci polovodičových součástek na celém světě hledají vhodné materiály a nové struk-tury tranzistorů, které by křemíkové tranzis-tory v nových, energeticky úspornějších mě-ničích výkonu nahradily. Velké naděje jsou vkládány do použití nitridu galia (nitridu gal-litého), GaN, který se podle odborníků může brzy stát nástupcem křemíku [2]. Oproti kře-míku má nitrid galia mnoho výhod. Především je tvrdší a odolnější než křemík a jeho energe-tický pásmový odstup 3,4 eV je v porovnání s křemíkem (1,1 eV) více než trojnásobný, což umožňuje používat tranzistory na bázi GaN při vyšších teplotách. Tím klesají náklady na chla-zení a zmenšují se rozměry i hmotnost měni-čů napětí, v nichž jsou použity. Nitrid galia má rovněž větší průrazné napětí, a proto mohou tranzistory na bázi GaN v porovnání se stejně velkými křemíkovými tranzistory spínat vět-ší napětí. Protože jsou elektrony v nitridu ga-lia velmi pohyblivé, může tranzistor také spí-nat rychleji. V podstatě přinášejí tyto nové vý-konové prvky značné zlepšení tří důležitých funkčních parametrů, a to výrazné zmenšení odporu v sepnutém stavu, zvýšení maximální spínací rychlosti a díky menší spotřebě energie i lepší účinnost výkonové elektroniky. Rovněž je možné na jednom čipu z nitridu galia inte-grovat více elektronických funkcí než při po-užití křemíku, což je v mnoha systémech vel-mi důležitá přednost.Urychlené zavedení nitridu galia do výro-by výkonové elektroniky podporuje výzkum-ný projekt PowerGaNPlus německého spol-kového ministerstva pro vzdělání a výzkum (BMBF). V rámci tohoto projektu vyvinu-li vědečtí pracovníci Fraunhoferova ústavu pro aplikovanou fyziku pevných těles IAF (Institut für Angewandte Festkörperphysik) ve Freiburgu výkonový tranzistor na bázi GaN, který vede rychleji, lze ho provozo-vat při vyšších teplotách a napětích a ztráto-vý výkon v měničích napětí redukuje na po-lovinu (obr. 1). Díky tomu potřebuje měnič napětí méně vydatné chlazení, jeho rozměry i hmotnost jsou menší než při použití běžných křemíkových tranzistorů. „U obvyklých mě-ničů napětí s křemíkovými součástkami při-padá na chlazení a na pasivní komponenty asi 40 % výrobních nákladů. Při použití nit-ridu galia je možné ušetřit až polovinu nákla-dů při výrobě součástek a až polovinu ener-gie při provozu měniče napětí,“ vysvětluje Dr. Michael Schlechtweg z Fraunhoferova ústavu IAF, který výzkumný projekt Power-GaNPlus koordinuje. Technologie výroby po-lovodičových součástek s nitridem galia je zatím ještě ve stadiu výzkumu. V prototypu měniče (DC/AC) pro fotovoltaická zařízení dosáhl tranzistor na bázi GaN již účinnosti 97 %. „Tím jsme dokázali, že nitrid galia je v praxi použitelný a pro úspory energie bude velkým přínosem, protože v budoucnu určitě dosáhneme účinnosti až 99 %. Naším koneč-ným cílem je vyvinout účinnější měniče vý-konu vhodné především pro hromadné použití v oborech elektromobility a fotovoltaiky, kde by mohly přinést velké úspory energie,“ zdů-razňuje Dr. Patrick Waltereit, vedoucí projek-tu ve Fraunhoferově ústavu IAF.Při vývoji polovodičových měničů napě-tí spolupracuje Fraunhoferův ústav IAF pře-devším s firmami KACO new energy GmbH a Robert Bosch GmbH. V současnosti oba partneři testují nové tranzistory na bázi GaN v konkrétních průmyslových zařízeních, firma KACO ve střídači (DC/AC)) o výkonu 5 kW na výstupu fotovoltaické elektrárny pro při-pojení do rozvodné sítě (obr. 2) a firma Bosch ve výkonovém měniči napětí (AC/DC) vesta-věném v zařízení pro efektivní nabíjení baterií elektromobilu. Oba renomovaní výrobci jsou s průběhem testů spokojení a oceňují přede-vším to, že výkonové měniče s galiumnitri-dovými tranzistory jsou v porovnání s dosa-vadními měniči s křemíkovými tranzistory ro-bustnější, kompaktnější, odolnější a účinnější.Výzkumný projekt PowerGaNPlus, naplá-novaný na tři roky, podporuje BMBF finančně celkovou částkou 2,8 milionu eur. Jeho cílem je vyvinout výkonové tranzistory na bázi nit-ridu galia pro měniče napětí a ověřit je v pra-xi. Vedle Fraunhoferova ústavu IAF, který je koordinátorem projektu PowerGaNPlus, a již zmíněných firem Robert Bosch GmbH a KACO new energy GmbH na výzkum-ném projektu ještě spolupracují tito partneři: IXYS Semiconductor GmbH, United Mono-lithic Semiconductors GmbH, Ústav pro vy-sokofrekvenční techniku Ferdinanda Brau-na, univerzita Erlangen – Nürnberg a odbor-ná vysoká škola RWTH Aachen. Ministerstvo si od projektu slibuje zejména další zlepšení konkurenceschopnosti německých podniků na světovém trhu s výkonovou elektronikou.Literatura:[1] PAVELKA, J.: Měniče výkonové elektroniky a jejich použití v technických aplikacích. Elek-tro, 2001, č. 6, s. 6–10.[2] Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF: Halbleiter Galliumnitrid spart Energie in Elektroautos und Solaranlagen. 7. 9. 2012.Ing. Karel KabešObr. 1. Součástky na bázi nitridu galia jsou během vývoje podrobně testovány (foto: Fraunhofer IAF)Obr. 2. Firma KACO ověřuje polovodičové stří-dače s tranzistory na bázi GaN ve fotovoltaické elektrárně na jihu Itálie (foto: KACO GmbH)