Století výkonové elektroniky v ABB
Na podzim letošního roku uplynul rok od otevření nového výrobního provozu v pražské továrně ABB zaměřené na výrobu speciálních polovodičů. Ve vývoji a výrobě těchto součástek, nezbytných pro chod moderního světa má ABB už dlouhou tradici – rovné století. Ve firmě zodpovídá za tuto klíčovou oblast šéf polovodičové divize Jürgen Brenauer, který nám přiblížil historii a současnou situaci v oboru.
ABB slaví letos 100 let působení v oboru výkonové elektroniky, tedy pokud budeme za počátek považovat rok 1913, kdy společnost Brown Boveri získala práva na usměrňovací rtuťové výbojky. O padesát let později začaly dominovat trhu výkonové měniče založené na polovodičích. Mohl byste stručně popsat počátky společnosti ABB v tomto segmentu?
Počátky se datují do roku 1908, kdy maďarský inženýr Bela B. Schafer zahájil výzkum rtuťových usměrňovačů pro frankfurtskou společnost H&B (Hartmann & Braun). Protože ale společnost měla jen malé zkušenosti s průmyslovými silnoproudými aplikacemi, spojila se v roce 1913 se švýcarskou společností BBC (Brown, Boveri & Cie), s níž vytvořila společný podnik pro výrobu elektronek s názvem GELAG (Gleichrichter AG), který fungoval až do roku 1939. V témže roce BBC vybudovala dočasné předváděcí vedení pro Švýcarskou národní výstavu – vedení ss proudu o výkonu 500 kW a napětí 50 kV přenášelo proud na vzdálenost 25 km a bylo předchůdcem technologie HVDC. První trvalé a komerční vedení HVDC ale postavila společnost ASEA, která v roce 1954 vedením spojila švédský ostrov Gotland s pevninou.
Výroba rtuťových usměrňovacích výbojek pokračovala až do poloviny 60. let, pak byly nahrazeny dalším převratným vynálezem: polovodiči. Mezi výhody polovodičů patřila vyšší hustota výkonu a rychlost, nižší hmotnost a ztráty, a rovněž u nich odpadá nutnost používat jedovatou rtuť. První polovodiče byly vyrobené z germania (někteří výrobci používali selen), ale ukázalo se, že tento materiál je pro výkonové aplikace nevhodný, neboť má svá omezení, pokud jde o závěrné napětí a teplotu. Germanium bylo proto brzy nahrazeno křemíkem
Polovodiče ABB jsou založené především na vlastním výzkumu a vývoji, ten je ale poměrně drahý. Vyplatí se to?
Výzkum a vývoj je nákladný, ale je nezbytný pro udržení vedoucího postavení na trhu a konkurenceschopnosti. Jednotka ABB Polovodiče má svůj vlastní výzkumný a vývojový tým a rovněž velmi úzce spolupracuje s výzkumným centrem ABB v Dättwilu ve Švýcarsku. Naše výzkumné a vývojové aktivity se soustředí hlavně na výzkum a vývoj výrobků a výzkumné centrum ABB se zaměřuje v zásadě na nové materiály a technologie. Společnost ABB nedávno investovala 18 milionů švýcarských franků do nové výzkumné laboratoře pro výkonové polovodiče, kde se bude zkoumat nová generace křemíkových výkonových polovodičů a také výkonových polovodičů na bázi jiných materiálů.
Spolupracujete v oblasti výzkumu a vývoje s nějakou univerzitou?
Při vývoji samozřejmě také úzce spolupracujeme s univerzitami. Spolková vysoká technická škola (ETH) ve švýcarském Curychu je jedním z výrazných příkladů a ČVUT v Praze druhým.
ABB vyrábí polovodiče ve dvou výrobních závodech. Jeden z nich se nachází v České republice. Kde můžeme najít polovodiče z České republiky?
Polovodiče ABB jsou klíčovými prvky na mnoha různých trzích, jako jsou průmyslové aplikace, trakce, přenos a rozvod elektrické energie a obnovitelné zdroje. Nejvýznamnější tržní segment, kde můžeme najít polovodiče ABB vyráběné v Praze, je odporové sváření pro automobilový průmysl. Odporové sváření je běžnou technikou, která se používá pro spojování ocelových plechů, z nichž se vyrábějí například karoserie aut. Statisticky řečeno, každé druhé auto, které jezdí po Evropě, bylo vyrobeno pomocí svářecích diod ABB.
Technologie IGCT, která rozšiřuje portfolio klasických polovodičů, se považuje za jedno z klíčových řešení. Již existuje druhá generace polovodičů IGCT – jaké jsou jejich přednosti?
Nejnovější generace tyristorů komutovaných integrovanou řídicí elektrodou (IGCT) od ABB se nazývá HPT IGCT. Ve srovnání s dřívějšími generacemi má vynikající vypínací schopnost, která je přibližně o 30 % vyšší. Toto zlepšení umožňuje zákazníkům vyrábět měniče s mnohem vyšším jmenovitým výkonem.
Jaké jsou nové trendy v oblasti polovodičů a jaké přednosti od nich očekáváte?
Trendem ve výkonových polovodičích je vždy snaha o dosažení vyššího výkonu, nižších ztrát a menších vnějších rozměrů. Velmi dobrým příkladem toho, jak tyto výzvy řeší ABB, je vývoj dvourežimového tranzistoru s izolovanou bránou (BiGT) - přepínače BiMOS, který v jedné součástce spojuje diodu a tyristor typu IGBT. Díky součástkám BiGT může ABB nabízet jak moduly HiPak, které jsou při stejném výkonu o 30 % menší, tak naopak moduly HiPak, které při stejné velikosti podávají přibližně o 50 % vyšší výkon.
Stávající křemíková výkonová elektronika a polovodiče v budoucnu dosáhnou fyzických limitů. Co bude dál? Co by v budoucnu mohlo polovodiče nahradit?
Polovodiče v blízké budoucnosti nic nenahradí. Usilovně se ovšem pracuje na nových polovodičových materiálech, tzv. materiálech se „širokým zakázaným pásmem“ (WBG). Zejména karbid křemíku se považuje za hlavní materiál typu WBG pro výkonové aplikace. V porovnání s křemíkem vykazuje karbid křemíku vyšší energii zakázaného pásma (3,03 eV oproti 1,12 eV), což umožňuje oproti křemíku dosáhnout vyššího průrazného napětí na tenčím substrátu a nižšího svodového proudu. Tyto vlastnosti umožňují provoz při vyšší hustotě výkonu v širším pásmu provozních frekvencí a teplot.
Stávajícím růstovým energetickým sektorem jsou obnovitelné zdroje energie, které však mají své specifické výzvy. Jsou ekologické, ale obtížně se regulují. Jaké je možné řešení tohoto problému?
Možným řešením těchto problémů jsou inteligentní sítě, tzv. „smart grids“. ABB Polovodiče nabízí širokou řadu výrobků, které realizaci inteligentních sítí umožňují. Pár příkladů: Tyristory IGCT pro plnou konverzi elektrické energie ve větrných turbínách, StakPak pro systémy HVDC Light, které spojují větrné elektrárny na moři s pobřežím, nebo stejnosměrný vypínač pro velmi vysoké napětí, který umožňuje výstavbu elektrických sítí velmi vysokého napětí. Patří sem i tyristory pro statické kompenzátory VAR (SVC), které zlepšují kvalitu elektrické energie.
Jedním z hlavních současných problémů energetického sektoru je, jak uchovávat velké množství elektrické energie pro budoucí použití. Vědci se snaží nalézt praktické a ekonomicky schůdné řešení. Jaká je současná situace a výhled do budoucna?
Existuje mnoho různých způsobů uchovávání energie. Nejúčinnějším současným řešením jsou přečerpávací vodní elektrárny. Při přebytku elektrické energie tyto systému čerpají vodu z nižší úrovně do výše položené nádrže. Když je energie potřeba, vodou z výše položené nádrže se pohání turbína, která elektřinu vyrobí. V takových systémech se uplatňují měniče, například ABB PCS 8000, založený na technologii IGCT.
739
