Elektronika v průmyslu – výroba výkonových polovodičových součástek v a. s. Polovodiče

Elektronika v průmyslu
– výroba výkonových polovodičových součástek v a. s. Polovodiče

Pohled do historie
Zhruba před padesáti lety se ve světě začaly hromadně využívat výkonové polovodičové součástky v průmyslu. Také v Československu byla v první polovině padesátých let v souladu s novými potřebami rozvíjejících se průmyslových odvětví zahájena výroba tohoto druhu polovodičových součástek. První výrobní zařízení tehdy byla instalována v závodě ČKD Elektrotechnika v Praze–Vysočanech. Po počátečních pokusech s germaniem jako výchozím materiálem pro výrobu se od roku 1958 začaly výkonové diody a později i tyristory konstruovat a vyrábět na bázi křemíku. Šlo o součástky, které byly určeny pro provoz na síťovém kmitočtu. Protože poptávka po výkonových polovodičových součástkách neustále narůstala, bylo rozhodnuto vybudovat moderní výrobní provozy v závodě ČKD Polovodiče v Praze 4 na Pankráci. Zde byla zahájena výroba polovodičů v roce 1963.

Nově vybavené prostory vytvořily mnohem příznivější podmínky pro výzkum a vývoj výkonových polovodičových součástek, kterému se začal intenzivně věnovat kolektiv fyziků, chemiků a techniků. Díky tomu se v tomto oboru podařilo udržet krok se světovými trendy. Zároveň se začaly rozvíjet i příslušné aplikační technické obory, které využívaly vlastní součástkovou základnu. Objem výroby se neustále zvětšoval a polovodiče se značkou ČKD si získaly díky výborným technickým parametrům a vysoké kvalitě dobré jméno nejen v celém Československu, ale i v zahraničí – v důsledku tehdejší mezinárodní situace především v zemích východního bloku.

Od roku 1990 prošel závod ČKD Polovodiče několika složitými etapami změn, které nakonec v roce 1994 vyústily ve vznik samostatné akciové společnosti POLOVODIČE. Počínaje tímto rokem lze tedy naše výrobky vidět s novým logem, které nahradilo původní tradiční značku ČKD. Od první vlny kupónové privatizace změnila společnost několikrát majoritního vlastníka a pod tlakem vlastníků budov a pozemků byla nakonec donucena přestěhovat se do nového sídla v Novodvorské ulici, v areálu bývalého Výzkumného ústavu sdělovací techniky A. S. Popova. Přerušit výrobu během stěhování firmy, které trvalo více než rok, jsme si nemohli dovolit. Tento životně důležitý krok, zaznamenaný našimi zákazníky v podstatě pouze změnou adresy, mohl být uskutečněn bez většího narušení výrobních operací jen díky profesionalitě a fandovskému nadšení managementu i ostatních zaměstnanců. Stěhování pro společnost znamenalo obrovské finanční zatížení, lidem však byla zachována práce a našemu průmyslu výroba součástek pro výkonovou elektroniku. V tomto složitém období se současně pracovalo na zavedení všech činností potřebných pro certifikaci systému řízení jakosti podle ISO 9001. Certifikát byl firmě udělen v únoru 1998 a obhájen o rok později.

V roce 1994 byly navázány kontakty s renomovanými světovými výrobci polovodičových součástek – s firmou ABB Semiconductors ze švýcarského Lenzburgu a s americkou firmou International Rectifier. V případě ABB jsme se soustředili na dodávky usměrňovacích lavinových diod, speciálních diod pro svařovací zařízení a různé typy aktivních přepěťových ochran, pro International Rectifer dodáváme rychlé výkonové diody, tranzistory MOSFET a IGBT.

Akciová společnost POLOVODIČE je jediná svého druhu v České republice. Navázala na dlouholeté a bohaté zkušenosti při výrobě výkonových polovodičových součástek. Přibližně 300 zaměstnanců zajišťuje výzkum, vývoj a výrobu v těchto oborech:

• křemíkové monokrystaly a destičky
• výkonové polovodičové součástky
• vybrané aplikace výkonových polovodičových součástek
• chladiče a chlazení výkonových polovodičových součástek

Výrobní program a. s. POLOVODIČE
Základní surovinou pro polovodičovou výrobu je křemík. Destičky z monokrystalického křemíku tvoří základ výroby všech polovodičových součástek; jsou určeny pro vlastní potřebu, ale zároveň jsou i žádaným obchodním artiklem. Nabízený široký rozsah parametrů monokrystalů i destiček předurčuje tyto výrobky jako výchozí komponenty pro další zpracování v nejrůznějších polovodičových technologiích.

Základní skupinu výrobků oboru výkonových polovodičových součástek tvoří výkonové diody pro pracovní kmitočty 50 až 400 Hz. Jsou určeny především pro konstrukce usměrňovačů, měničů stejnosměrných pohonů, bezkontaktních spínačů, budičů apod. Proudová zatížitelnost je 25 až 3 000 A, závěrné napětí 400 až 5 000 V. Aplikace pracující na vyšších kmitočtech (až 10 kHz) vyžadují speciální, tzv. frekvenční diody s podstatně kratší dobou zpětného zotavování. Tyto frekvenční diody dodáváme v proudových rozsazích od 25 do 630 A a se závěrným napětím 600 až 4 000 V. V rámci spolupráce s firmou ABB jsme v roce 1994 zahájili výrobu lavinových diod, které jsou odolné proti přepěťovým špičkám. Diody pokrývají proudový rozsah 590 až 2 700 A; rozsah závěrného opakovatelného napětí je 1 700 až 5 000 V. V roce 1997 byl ukončen vývoj diod ve dvou typech pouzdra pro napětí 6 000 V a střední propustný proud 630 a 1 000 A. Co se parametrů týče, je zajímavá i dioda pro svařovací zařízení – při závěrném napětí 200 V je střední propustný proud 6 130 A. V současnosné době v a. s. POLOVODIČE vyvíjíme diodu v pouzdru o větším průměru dosedací plochy pro proud přibližně 12 000 A. Dodávky do ABB nyní zahrnují také aktivní součástky proti přepětí – tzv. diody SVS a BOD.

Výkonové tyristory tvoří další část polovodičového programu. Umožňují v síťových aplikacích plynule řídit výkon usměrňovačů, střídačů, stejnosměrných měničů pohonů apod. Ve výrobním programu jsou zastoupeny tyristory s proudem od 16 do 2 000 A a s napětím od 400 do 3 200 V. Ve vývoji jsou speciální tyristory o napětí do 6 000 V. Všechny důležité parametry našich tyristorů jsou srovnatelné se špičkovými zahraničními součástkami.

Pro měniče s kapalinovým chlazením dodáváme diody a tyristory s integrovaným chladičem. Použití těchto chladičů zvyšuje proudovou zatížitelnost součástek.

Narůstající potřeba řešit regulace a řízení obvodů napájených stejnosměrným napětím, které se mění na střídavé napětí o kmitočtu vyšším než 400 Hz, si vynutila výrobu tzv. rychlých a frekvenčních tyristorů. Současná technologie umožňuje vyrábět tyto tyristory s napětím do 2 000 V pro pracovní kmitočty až 6 kHz. Další zvýšení pracovního kmitočtu do 10 kHz umožňují naše tyristory typu GATT s pomocnou řídicí elektrodou pro urychlení vypnutí. V obvodech pulsních měničů pohonů stejnosměrných motorů nacházejí uplatnění tzv. zpětně vodivé tyristory (RCT), které vyrábíme pro proudy 320 až 630 A a napětí 1 400 až 2 400 V.

Spojením polovodičových systémů s elektricky izolovanou kovovou základnou pro odvod ztrátového výkonu a pouzdrem s vnitřním propojením a vnějšími vývody vznikla integrovaná součástka – tzv. bezpotenciálový modul. Tento komponent umožňuje konstruktérovi elegantně řešit silový obvod dané aplikace. Zkušební napětí izolované části je 2 500 V (efektivní hodnota). Vyrábíme standardní diodové moduly pro proudy od 32 do 250 A s napětím 600 až 2 000 V a rychlé diodové moduly v rozsahu proudů 50 až 160 A při napětí 1 000 až 2 000 V. Tyristorové standardní moduly jsou dodávány pro proudy od 25 do 250 A s napětím 400 až 1 600 V, v rychlé verzi od 63 do 125 A pro napětí 600 až 1 400 V. Vyrábíme také kombinované moduly (dioda – tyristor).

Akciová společnost POLOVODIČE je také výrobcem vypínacích (GTO) tyristorů. Tyto spínací součástky se uplatňují zvláště v měničích pohonů tramvají, trolejbusů a elektrických lokomotiv. Vypínací tyristory jsou vyráběny pro napětí 2 000 až 4 500 V a proudy 630 až 1 600 A. Naše symetrické vypínací tyristory jsou v současné době unikátním výrobkem. Pro tyristory GTO byly vyvinuty zvláštní diody s tzv. měkkou komutací.

Z našich nových výrobků lze dále jmenovat výkonové bezpotenciálové moduly řady 401 v pouzdru SOT 227, které byly vyvinuty v rámci spolupráce s firmou International Rectifier. V uvedeném pouzdru dodáváme:

• dvojice výkonových velmi rychlých diod (FRED) pro napětí 200 až 1 200 V, proudy 2 × 30 až 2 × 60 A (použití: zpětné diody pro měniče nebo nulové diody pro pohony a spínané zdroje)
• výkonové tranzistory MOSFET, napětí 100 až 1 000 V, proudy 20 až 150 A, pro použití ve spínaných zdrojích a záskokových zdrojích
• tranzistory IGBT (bipolární tranzistory s izolovaným hradlem) pro napětí 600 až 1 200 V a proudy 70 až 120 A (použití: regulace střídavých motorů, záskokové zdroje, spínané a rezonanční zdroje)
• jednofázové usměrňovací můstky pro proudy 25 až 40 A a napětí 600 V
• bezindukční výkonové rezistory s hodnotou odporu 1 až 50 000 W s přesností 1 až 10 % a dovoleným ztrátovým výkonem 100 W. Mnoho hodnot odporů je v současné době limitováno, protože jsme schopni plnit pouze dodávky o počtu minimálně 100 kusů; výroba menšího množství vede k vysoké ceně.

O vyspělé technologické úrovni firmy svědčí výroba vysokonapěťových sloupců pro elektrostatické odlučovače popílku. Tyto sloupce se závěrným napětím 160 kV a propustným proudem 600 a 800 mA nemají ve světě obdoby.

K odvádění ztrátového tepla vznikajícího při provozu výkonových polovodičových součástek jsou určeny námi dodávané vzduchové chladiče z protlačovaných hliníkových profilů různého typu, kapalinové chladiče a tepelné trubice. Pro správnou funkci polovodičových součástek v pastilkových pouzdrech je nezbytné určit danou přítlačnou sílu. Pro tyto účely dodáváme příslušné stahovací konstrukce a ke zmenšení přechodového odporu mezi elektrodou součástky a chladičem slouží námi vyráběné kontaktní fólie TECOFOIL. Jsou dodávány pro všechna konstrukční uspořádání kontaktu mezi chladičem a součástkou, včetně bezpotenciálových modulů.

Doplněním výkonových polovodičových součástek chladicími díly, ochranami a řízením a jejich spojením v jeden konstrukční a funkční celek vzniká tzv. aplikace. Firma POLOVODIČE, a. s., dodává mnoho takovýchto aplikací, z nichž vyjímáme např. tzv. bloky GTO, což je sestava tyristoru GTO s nulovou diodou a diodou členu RCD na společném chladiči jako základní stavební prvek pulsního měniče pohonu tramvaje. Vyšší integrace je dosahováno v námi dodávaných kompletních pulsních měničích pro pohony trolejbusů. Zde jde o kompaktní mechanicko-elektrickou sestavu tyristoru GTO a diod, včetně přepěťových a nadproudových ochran, s moderními chladiči na principu tepelných trubic. Pro řízení tyristorů GTO dodáváme i generátory zapínacích a vypínacích pulsů s izolační pevností vůči nadřazenému regulátoru na úrovni 4 500 V, 50 Hz. Pro napájení řidicích jednotek vyrábíme měničové napájecí zdroje. Pulsní měniče jsou dodávány v jednokvadrantovém zapojení i vícekvadrantové s možností brzdění a rekuperace. Aplikace s tyristory GTO oproti klasickým tyristorům vykazují menší hmotnost, omezené rušení napájecí sítě, vyšší účinnost a lepší regulační vlastnosti. Dalšími dodávanými aplikacemi jsou stavebnicové usměrňovače a střídavé měniče nejrůznějších silových zapojeních a pro různé výkony a způsoby chlazení podle požadavku zákazníka. Jako poslední příklad uvádíme řízené usměrňovače řady SU 500 a SU 2000. Jsou to zařízení, která jsou určena k aktivní ochraně kovových předmětů uložených v zemi nebo ve vodě před korozí způsobenou vlivem bludných proudů stejnosměrné trakce, event. zavlečenými potenciály. Příspěvkem ke komplexnímu řešení projektů katodické ochrany je i námi vyvinutý a dodávaný diodový oddělovací člen, který slouží ke galvanickému propojení izolovaných úseků produktovodů nebo uzemněných konstrukcí při zasažení bleskem.

Perspektivy firmy
Od svého vzniku zaujímal dřívější závod ČKD Polovodiče dominantní postavení na trhu výkonových polovodičů v České republice a na Slovensku. Na tento trend navázala také akciová společnost POLOVODIČE i přesto, že v nových tržních podmínkách působí v uvedených teritoriích renomované zahraniční firmy. Svou dobrou pozici se snažíme udržet i nadále, ačkoliv to v současných ekonomických podmínkách není vůbec jednoduché. Vzhledem k poklesu poptávky po standardních polovodičových součástkách pro domácí trh musela akciová společnost POLOVODIČE přistoupit k částečné redukci výrobního sortimentu tak, aby výroba byla efektivní. K naplnění výrobní kapacity bylo třeba hledat další výrobní aktivity, což se podařilo ve spolupráci s předními světovými výrobci výkonových polovodičů. Díky exportním aktivitám se v uplynulém roce zvýšily tržby na 2,7násobek tržeb v roce 1994.

Výrobky a. s. POLOVODIČE jsou charakteristické vysokou jakostí a provozní spolehlivostí. Tyto atributy, včetně vysoké profesionální úrovně, přijatelných cen, poměrně krátkých dodacích lhůt, pružnosti v záručním i pozáručním servisu i bezplatné poradenské služby, staví a. s. POLOVODIČE do pozice důležitého obchodního partnera mnoha významných firem našeho hospodářství. Zároveň jí umožnily prostřednictvím renomovaných světových výrobců vstoupit na zahraniční trhy.