Technologie karbidu křemíku by měly přispět k energeticky účinnějšímu a udržitelnějšímu hospodářství

26. června 2024

Celkem 33 partnerů ze 7 evropských zemí. Průmyslové společnosti, univerzity a výzkumné instituce. Od automobilového průmyslu přes zemědělskou techniku až po obnovitelné zdroje. To všechno v sobě skrývá projekt TRANSFORM, do kterého je zapojen i řešitelský tým z CEITEC VUT a FEKT VUT. CEITEC VUT také ve dnech 15. a 16. května 2024 hostil setkání Valné hromady tohoto projektu a úspěšně prezentoval demonstrátor dálkově ovladatelného nabíječe pro exkavátory (bagry) s bateriovým pohonem.

Evropský projekt „Trusted European SiC Value Chain for a Greener Economy“, zkráceně TRANSFORM, usiluje o vybudování odolného evropského dodavatelského řetězce výkonové elektroniky na bázi technologie karbidu křemíku (SiC). Toho má být dosaženo díky spolupráci 33 partnerů ze 7 evropských zemí z řad průmyslových společností, univerzit a výzkumných institucí. Jedním z partnerů projektu je i Vysoké učení technické v Brně zastoupené výzkumníky z CEITEC VUT a Ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky (ÚVEE) FEKT VUT.

A v čem je technologie na bázi SiC tak výjimečná? „Pro spínání výkonových měničů se běžně používají výkonové křemíkové součástky, jejichž pracovní kmitočty jsou relativně omezené. Proto byly vyvinuty nové materiály na bázi SiC vnesením atomu uhlíku do krystalové struktury vysoce čistého křemíku, což dodává materiálu zvláštní fyzikální vlastnosti. Tyto polovodičové materiály jsou schopny pracovat při větším napěťovém a proudovém zatížení s vyšším spínacím kmitočtem. Mají také výjimečné tepelné a elektrické vlastnosti,“ vysvětluje Radimír Vrba, vedoucí výzkumu a vývoje jednoho z demonstrátorů. Z klíčových parametrů karbidu křemíku uvádí zejména: nízký tepelný odpor, vyšší průrazné napětí, vyšší proudovou hustotu, nižší úbytek napětí při sepnutém stavu, nižší ztrátový výkon na sepnutém spínači, schopnost pracovat při teplotách až 600 °C, a také kratší dobu trvání zapínacího a vypínacího děje.

„Součástky z karbidu křemíku tak díky své rychlosti umožňují použít vyšší kmitočet spínání ve srovnání s čistě křemíkovými čipy, aniž by vzrostly jejich takzvané přepínací ztráty. Vyšší spínací kmitočet pak umožňuje snižovat rozměry transformátorů a tlumivek použitých v zařízeních, v nichž se tyto polovodiče používají (například v nabíječích pro elektromobily). Díky menšímu odporu v sepnutém stavu jsou menší také ztráty způsobené samotným vedením proudu. Redukce přepínacích ztrát a ztrát vedením společně přispívá ke zvyšování účinnosti využití energie,“ dodává Pavel Vorel z Ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky.

Nové polovodičové výkonové spínače typu MOSFET na bázi SiC najdou uplatnění prakticky všude, kde se pracuje s vyššími výkony. Jako typické aplikace je lze nalézt ve výkonových měničích, rychlonabíječích, pohonných jednotkách průmyslových strojů, elektromobilech a ve výkonových měničích fotovoltaických elektráren. Jak uvádí Metin Koyuncu z firmy BOSCH, koordinátor projektu TRANSFORM: „SiC je kritická materiálová technologie, která řeší omezení konvenčního polovodičového materiálu Si a hraje klíčovou roli v rozvoji elektrifikace v důležitých odvětvích. Náš technologický pokrok v oblasti pokročilých SiC destiček, technologie SiC MOSFET zařízení, zpracování včetně zpracovatelských zařízení a výkonových modulů s inovativními technologiemi montáže a propojení posilují pozici Evropy na trhu.“ Úkolem koordinátora Koyuncu je právě řídit konsorcium TRANSFORM tak, aby bylo dosaženo technologických cílů, které byly stanoveny na začátku projektu. Zaměření na celý hodnotový řetězec vyžaduje mezioborovou spolupráci mnoha odborníků, kteří se zabývají mnoha tématy výzkumu a vývoje. Rozdělení projektu do pracovních balíčků, zajištění efektivní spolupráce v konsorciu a zastupování konsorcia před veřejnými orgány v Bruselu – to vše patří mezi jeho klíčové úkoly.

Projekt TRANSFORM partnery propojuje ke společné práci a demonstraci aplikací součástek na bázi SiC v rámci 5 demonstrátorů v oblasti automobilového průmyslu, zemědělství, výrobního průmyslu a oblasti obnovitelných zdrojů energie. Jak uvádí koordinátor Koyuncu: „VUT je zodpovědné za jeden z těchto demonstrátorů a vykazuje vynikající výsledky. Jeho práce zlepšuje kvalitu života, a navíc je v souladu s evropskou Zelenou dohodou (Green Deal) a pomáhá Evropě v dosažení cíle stát se prvním klimaticky neutrálním kontinentem.“

Výzkumný tým z CEITEC VUT s kolegy z UVEE FEKT VUT a ve spolupráci s dalším českým partnerem IMA s.r.o. řešil případ demonstrátoru pro konkrétní aplikaci moderních součástek na bázi SiC při návrhu a realizaci průmyslového jednostupňového třífázového AC/DC měniče pro použití jako nabíječ bateriově poháněných průmyslových nástrojů a strojů. „V našem konkrétním případě vývoj směřoval k návrhu dálkově ovladatelného nabíječe pro bagry s bateriovým pohonem. Vysoký spínací kmitočet měniče s pulzním transformátorem umožnil snížit hmotnost a rozměry transformátoru. Použitím velmi rychlých součástek SiC jsme snížili vysoké přepínací ztráty a dosáhli jsme vysoké účinnosti nabíječe. Vysoké spínací kmitočty umožnily také použít menší transformátor, což umožnilo snížit hmotnost a velikost měniče. Vývoj demonstrátoru byl zakončen jeho úspěšnou realizací,“ spokojeně shrnuje Radimír Vrba. „Vytyčené parametry byly dosaženy, navíc rozšířené dálkové ovládání a sběr dat s ukládáním do cloudu zvýšily ještě užitné vlastnosti nabíječe nad původní stanovené požadavky,“ ještě vysvětluje Jaroslav Kadlec z CEITEC VUT.

Projekt měl původně skončit na konci dubna 2024, ale určité problémy s dodávkou experimentálních součástek si vyžádaly posunutí finálního termínu dokončení projektu na konec října 2024. Podle průběžných kontrol a prezentace při květnovém setkání Valné hromady v Brně se jeví, že všechny definované úkoly a pracovní balíčky projektu TRANSFORM budou v tomto novém termínu splněny.

Valná hromada projektu TRANSFORM v Brně ve dnech 15. a 16. května 2024 byla všemi účastníky vyhodnocena jako velmi úspěšná. Mnohé pochvalné poznámky se týkaly organizace, předvedených prezentací CEITEC VUT a následně VUT v podání rektora Ladislava Janíčka, prohlídky laboratoří v čistých prostorách výzkumné infrastruktury CEITEC Nano a laboratoří Ústavu výkonové elektroniky a elektrotechniky a Ústavu mikroelektroniky FEKT VUT. Mnozí z partnerů byli příjemně překvapeni velikostí VUT, jeho významem, odborným zaměřením, počtem studentů, i zahraničních, a rozvinutou spoluprací s průmyslem a výzkumnými partnery. „Konsorcium TRANSFORM velmi dobře spolupracovalo a dosáhli jsme mnoha zajímavých výsledků, jak také dokazuje obrovské množství vydaných publikací,“ s uznáním uzavírá Metin Koyuncu.