Технологию производства компактных источников питания для беспилотников и дата-центров разрабатывают в НГТУ НЭТИ

Инженеры НГТУ НЭТИ разрабатывают технологию изготовления гетерогенных преобразователей электрической энергии с высокой удельной мощностью на основе современных широкозонных полупроводников. Проект решает задачи импортозамещения и создания компонентной базы нового поколения для силовой электроники. Работа ведется в рамках гранта Российского научного фонда.

Производство серверного и телекоммуникационного оборудования, беспилотных летательных аппаратов, радиолокационных систем (АФАР) требует развития наукоемкого производства в различных направлениях, в том числе в области вторичных источников питания, отмечает руководитель проекта, доцент кафедры электроники и электротехники, руководитель лаборатории «Элементы силовой электроники» НГТУ НЭТИ кандидат технических наук Максим Дыбко. В рамках реализации проекта будет разработана технология проектирования и изготовления компактных преобразователей на базе широкозонных нитрид-галлиевых транзисторов и керамической многослойной печатной плате.

«У нитрида галлия, в отличие от кремния, ширина запрещенной зоны в три раза выше, это позволяет полупроводниковым приборам работать при более высоких напряжениях. Транзисторы на основе нитрида галлия способны работать на частотах переключения до нескольких мегагерц и выше, что уменьшает габариты пассивных компонентов преобразователя. Все это дает возможность сделать источник питания более компактным при сохранении высокой мощности», — рассказал Максим Дыбко. 

Гетерогенность подразумевает размещение бескорпусных полупроводниковых кристаллов и корпусированных элементов на одной печатной плате. Гибридная интегральная схема обеспечивает высокую плотность монтажа, снижение габаритов и массы устройства при сохранении функциональности. 

Ключевые аспекты технологии проектирования и изготовления гетерогенных высокочастотных силовых преобразователей с высокой плотностью мощности включают в себя особенности проектирования силовой схемы при использовании высокочастотных полупроводников, особенности управления силовыми транзисторами на нитриде галлия, технологии проектирования сильноточных планарных трансформаторов на токи в десятки и сотни ампер при компактных размерах (порядка одного кубического дюйма), использование специализированных ШИМ-контроллеров, которые конфигурируются по нескольким параметрам, что позволяет снизить габариты и упростить отладку системы управления, а также использование низкотемпературной керамики совместного отжига (LTCC) для изготовления многослойных печатных плат. 

«В этом году мы изготавливаем преобразователь на корпусированных элементах и многослойной печатной плате из текстолита, используя наработки, которые получили в проекте «Разработка гибридных силовых модулей для аэрокосмического и промышленного назначения» программы «Приоритет-2030». Так, в прошлом году по инициативе одного из индустриальных партнеров был дан старт разработке компактного преобразователя постоянного напряжения для систем электропитания дата-центров. Для этого применили наработки, полученные при создании гибридной интегральной силовой схемы транзисторной стойки, в которой использовались кристаллы транзисторов на основе карбида кремния. Здесь мы решили пойти дальше сразу в двух направлениях: проектирование более сложных полупроводниковых преобразователей на базе нитрид-галлиевых транзисторов, а также повышение удельной мощности», — отмечает Максим Дыбко.

Сейчас разработчики тестируют первые образцы преобразователя на нитрид-галлиевых транзисторах. В следующем году планируется изготовить образец на керамической подложке с кристаллами. Использование низкотемпературной керамики вместо традиционного текстолита для изготовления печатных плат позволит отводить тепло до восьми раз больше. Эффективный теплоотвод важен для предотвращения перегрева силовых компонентов, обеспечения стабильности работы и высокого КПД, добавляет Максим Дыбко.

По его словам, научная новизна проекта в рамках гранта РНФ — в аналитическом расчете режимов преобразователя, в разработке алгоритмов управления и в проектировании интегрированного силового трансформатора, который будет встроен в плату.

В Новосибирске и области есть предприятия, заинтересованные в производстве таких преобразователей. Потенциальными партнерами-заказчиками являются АО «НИИ «Октава» (производитель АФАРов), ООО «Аэрофрегат» (производитель беспилотных летательных аппаратов). Кроме того, есть заинтересованные предприятия-производители нитрид-галлиевых транзисторов, такие как АО «Силовой ключ», АО НИИЭТ (оба предприятия входят в ГК «Элемент»). 

Проект «Разработка технологии изготовления гетерогенных преобразователей электрической энергии с высокой удельной мощностью на основе современных широкозонных полупроводников» вошел в перечень поддержанных проектов по итогам регионального конкурса на получение грантов Российского научного фонда.  

Фотограф(ы): Виктор Гуськов

Источник: НГТУ НЭТИ