Hnacou silou vývoja nových produktov a technológií v oblasti výkonovej elektroniky je rastúci dopyt trhu&# 39 po vyššej hustote výkonu, väčšej systémovej integrácii, odolnosti a vyššej spoľahlivosti. Zároveň trh vyžaduje lacné výrobky, štandardizované rozhrania, flexibilnú škálovateľnosť a modularitu. V posledných niekoľkých rokoch sa zameranie oblasti výkonovej elektroniky väčšinou zameriavalo na výskum, vývoj a modernizáciu nových vysoko výkonných integrovaných obvodov umiestnených na špecifických cieľových trhoch. To viedlo nielen k výrobe štandardných IGBT modulov, ale aj k niektorým špeciálnym typom modulov optimalizovaných tak, aby vyhovovali konkrétnym potrebám zákazníkov. Moduly série s nízkymi stratami sú optimalizované na zníženie poklesu napätia v stave. Avšak kvôli jeho veľmi vysokej strate spínania je zmysluplné používať tento typ modulu iba v aplikáciách s nižšími spínacími frekvenciami. V súlade s tým priemysel taktiež vyvinul ultrarýchle moduly používané v oblasti vysokých spínacích frekvencií. Vďaka malému koncovému prúdu sú tieto IGBT moduly ideálne pre rezonančné spínacie prevodníky. Nová generácia výkonovo integrovaných modulov má navyše vyššiu hustotu energie a účinnosť bez zmeny hlasitosti modulu. Budúci výskum a vývoj v tomto smere sa zameriavajú na nové priekopnícke IGBT a mäkké prielomové IGBT, ktoré ďalej rozširujú škálu dostupných možností modulov. Hustota prúdu modulu zloženého z najnovšej generácie priekopových IGBT a voľnobežných diód riadenia životnosti axiálneho nosiča dosahuje 200A / cm2 (obrázok 1). Takáto vysoká prúdová hustota zefektívňuje veľkosť existujúceho balenia, to znamená, že plocha čipu vyžadovaná súčasnou úrovňou prúdu sa bude postupne zmenšovať. Napríklad v roku 1999 bol najväčší menovitý prúd modulu s polovičným mostíkom 1200V SEMIKRON&400A, ale dnes ten istý balík môže poskytnúť prúd 600A. Kvôli neustálemu zlepšovaniu hustoty výkonu čelia výrobcovia a používatelia výkonových modulov často novým výzvam.
Obrázok 1 Vývoj prúdovej hustoty
Po určitý čas už objem výkonových meničov nezávisí od veľkosti výkonových polovodičových modulov, ale od pasívnych súčastí, ako sú kondenzátory, tlmivky a filtre. Tento jav platí najmä pre nízkoenergetické pohony, čo vyplýva z výskumnej správy (1) ECPE (Európske stredisko pre výkonovú elektroniku). Pre moderné disky s výkonom nižším ako 2,2 kW predstavuje balíček výkonového polovodičového modulu iba 6% z celkového objemu zariadenia, čo je zhruba ekvivalent objemu vyťaženého káblovým terminálom. Banka kondenzátora na medziobvod predstavuje asi 12% objemu, čo sú dve z napájacích zariadení. Súčiastka, ktorá zaberá najväčší priestor, je doska riadiacich obvodov (približne 23% objemu), pretože obsahuje nielen riadiace a riadiace obvody, ale aj napájaciu jednotku a filtre EMI (obrázok 2). Takýto trend sa rozširuje aj na vysoko výkonné systémy premeny. Výkonové elektronické zariadenia sú čoraz menšie, ale objem pasívnych komponentov, káblov a svoriek hlavného obvodu sa v zásade nemení.
Obrázok 2 Porovnanie rôznych komponentov / zväzkov na modernom disku s výkonom 2,2 kW
V dnešnej dobe už veľkosť napájacích zariadení nezávisí od oblasti, ktorú zaberajú polovodičové čipy, ale od svoriek hlavného obvodu. Preto je nereálne, aby ľudia očakávali zníženie objemu výkonových elektronických modulov tak, aby sa znížili náklady a dosiahli rovnaký stupeň ako zníženie veľkosti čipu. Okrem toho za prítomnosti vibrácií spôsobia veľké prierezy káblov a jednosmerné prípojnice pomerne veľké namáhanie modulu a tieto faktory môžu mať dokonca negatívny vplyv na spoľahlivosť spojovacích komponentov. Preto pri navrhovaní výkonových meničov hrajú dôležitú úlohu aj súčasti zmierňujúce napätie a ďalšie súčasti mechanického vystuženia pre medziobvody. Neustále sa zvyšujúca hustota výkonu v polovodičových moduloch spôsobuje používateľom čoraz väčšie problémy s odvodom tepla. Keď výkon zostáva rovnaký, objem modulu sa zmenšuje a zmenšuje a hodnota straty výkonu výkonového modulu objemovej jednotky sa postupne zvyšuje, čo kladie vyššie požiadavky na radiátor. V systéme núteného chladenia vzduchom je z dôvodu spoľahlivosti nepravdepodobné, že by sa využil maximálny výkon modulu, pretože používateľom neodporúčame zvyšovať teplotu radiátora. Preto, aby ste radiátor využili čo najlepšie, je potrebné rozptýliť zdroj tepla, aby ste sa vyhli horúcim miestam. Uvedením modulu SEMiX® na trh spoločnosť SEMIKRON navrhla nový štandard, ktorý vo výkonových komponentoch používa namiesto integrovaného šesťtrubicového balíkového modulu jeden polovičný mostíkový modul. Pri použití núteného chladenia vzduchom je možné moduly inštalovať v určitých intervaloch. Vďaka zodpovedajúcemu účinku tepelného vedenia je teplota substrátu modulu oveľa nižšia, čo môže zvýšiť výstupný výkon. Obrázok 3 zobrazuje pozitívny vplyv prestupu tepla. V tomto príklade, ak sú moduly inštalované na chladiči v určitých intervaloch, maximálna teplota chladiča sa zníži z 96 ° C na 91 ° C. Polovičný mostík je samozrejme možné nahradiť aj integrovaným šesť trubicovým balíkovým modulom. V takom prípade je možné pri použití vodného chladenia dosiahnuť kompaktné riešenie s vyššou hustotou výkonu.
Niektorí ľudia istý čas zamerali svoj výskum na vývoj nových technológií montáže a pripojenia s cieľom prispôsobiť sa použitiu nových čipov so zvyšujúcou sa hustotou prúdu. Zatiaľ žiadna jednotlivá technológia nebola úplne úspešná kvôli obmedzeniam spoľahlivosti a flexibility. Okrem toho je vývoj nových technológií pripojenia poháňaný aj väčšou integráciou (budiace obvody a pasívne súčiastky) a obojstrannou technológiou rozptylu tepla pre modulové čipy. Vďaka použitiu viacvrstvových dosiek s plošnými spojmi, metalizovaných zariadení, spájkovacích balíkov a dokonca aj zakrivených dosiek s plošnými spojmi (2) sa dosiahol veľký pokrok v spojovacej technike. Využitie týchto vysoko integrovaných technológií v komerčných výkonových elektronických moduloch je len otázkou času. Vývoj produktovej platformy Popri vyššie spomenutých technických výzvach zohrávajú čoraz dôležitejšiu úlohu aj produktové platformy v oblasti výkonovej elektroniky. Takzvaný vývoj produktovej platformy sa tu týka vývoja základných modulov, ktoré sú platformami pre vývoj alebo navrhovanie rôznych produktových radov. Napríklad, keď vidíme rovnaké komponenty motora a podvozku na rôznych modeloch automobilov od rovnakého výrobcu, dá sa povedať, že automobilový priemysel je predchodcom tejto&„produktovej platformy &“; koncepcia. Rovnakú stratégiu implementujú aj naši zákazníci pri vývoji a výrobe prevodníkov, problémom však je, že ich vývojové aktivity nezískali dostatočnú podporu od výrobcov polovodičov. U polovodičových modulov, ktoré sa v súčasnosti predávajú na trhu, existuje príliš veľa nezrovnalostí v rôznych modeloch a pripojovacích technológiách. Výsledkom je, že pre zákazníkov je ťažké vyrobiť rôzne série prevodníkov s konzistentným výkonom na základe štandardných komponentov a modulov. Z dôvodu uvedenia produktovej platformy SEMiX® sa spoločnosť SEMIKRON zaviazala poskytovať riešenie pre moduly v rozsahu od 15 do 150 kW. Obrázok 4 zobrazuje koncept produktovej platformy SEMiX®. Na základe základného modulu je možné vyrobiť rôzne verzie modulov pre rôzne výkonové rozsahy, topológie, úrovne integrácie a rôzne formy balenia, aby bolo možné včas uspokojiť potreby konkrétnych používateľov.
Pre rôzne súčasné úrovne a topologické štruktúry má samotný základný modul štyri rôzne typy balenia modulov. Tieto štyri balíčky sú však založené na rovnakej platforme interných komponentov, čo znamená, že rozhranie medzi medziobvodom a obvodom pohonu je konzistentné v celom rozsahu výkonu. Uvedenie na trh SEMiX nám umožňuje zásobiť sa týmto predvýrobným štandardným produktovým modulom, aby bolo možné rýchlo vyrobiť a dodať výrobky na mieru. Pre dizajnérov prevodníkov to znamená, že meranie výkonu a funkcií komponentov modulu je jednoduchšie a môže tiež znížiť zložitosť procesu vývoja a čas, ktorý zaberie. Na tomto základe je potrebné splniť prispôsobenú topológiu zákazníka&# 39 a realizovať neustále rozširovanie produktovej rady zákazníka&# 39. Ďalším dopytom na trhu je optimalizované pripojenie periférií výkonových modulov. Zahŕňa krátke a prispôsobiteľné svorky hlavného obvodu a pripojenie integrovaného obvodu pohonu. Platforma SEMiX prvýkrát nainštalovala pohonný obvod priamo na výkonový modul, čím sa cesta spojenia veľmi skrátila. Záver Vďaka vynikajúcej čipovej technológii sa prúdová hustota moderných výkonových polovodičov zvýšila v porovnaní s výkonovými polovodičmi za posledných pár rokov asi o 50%. Tento vývoj priamo zvyšuje požiadavky na technológiu integrácie a pripojenia komponentov výkonových polovodičových modulov, ako aj požiadavky na odvod tepla zariadenia. Pre systémy chladenia núteným vzduchom boli prekonané rôzne obmedzujúce faktory, ktoré nevedú k zníženiu nákladov. Berúc do úvahy technické ukazovatele, ako je optimálna strata vodivosti vpred a vysoká spínacia frekvencia, mnoho existujúcich čipových technológií má výhody zodpovedajúce konkrétnym aplikáciám. Uvedením novej série modulov SEMIX&# 39 môže SEMIKRON poskytnúť širokú škálu modulárnych produktov, ktoré môžu realizovať riešenia špecifické pre zákazníka. Séria produktov SEMIX bude v nasledujúcich rokoch neustále pribúdať a rozširovať sa.