Движущей силой для разработки новых продуктов и технологий в области силовой электроники является растущий спрос рынка на более высокую удельную мощность, большую системную интеграцию, прочность и более высокую надежность. В то же время рынок требует недорогих продуктов, стандартизованных интерфейсов, гибкой масштабируемости и модульности. В последние несколько лет силовая электроника в основном фокусировалась на исследованиях, разработке и модернизации новых мощных интегральных схем, предназначенных для конкретных целевых рынков. Это привело не только к производству стандартных модулей IGBT, но и некоторых специальных типов модулей, оптимизированных для удовлетворения конкретных потребностей клиентов. Модули серии с низкими потерями оптимизированы для уменьшения падения напряжения в открытом состоянии. Однако из-за очень высоких потерь переключения этот тип модуля имеет смысл использовать только в приложениях с более низкими частотами переключения. В соответствии с этим промышленность также разработала сверхбыстрые модули, используемые в области высоких частот переключения. Из-за небольшого хвостового тока эти модули IGBT идеально подходят для преобразователей с резонансной коммутацией. Кроме того, новое поколение силовых интегрированных модулей имеет более высокую удельную мощность и эффективность без изменения объема модуля. Новые траншейные IGBT и мягкие сквозные IGBT являются предметом будущих исследований и разработок в этом направлении, что позволит еще больше расширить диапазон доступных вариантов модулей. Плотность тока модуля, состоящего из траншейных IGBT последнего поколения и диодов, контролирующих срок службы аксиальных носителей, достигает 200 А / см2 (рисунок 1). Такая высокая плотность тока делает существующий размер корпуса более эффективным, то есть площадь кристалла, необходимая для существующего уровня тока, будет постепенно уменьшаться. Например, в 1999 году номинальный ток самого большого полумостового модуля на 1200 В компании SEMIKRON&составлял 400 А, но сегодня тот же самый корпус может обеспечивать ток 600 А. Из-за постоянного улучшения плотности мощности производители и пользователи силовых модулей часто сталкиваются с новыми проблемами.
Рисунок 1 Развитие плотности тока
На какое-то время объем силовых преобразователей больше не зависит от размера силовых полупроводниковых модулей, а зависит от пассивных компонентов, таких как конденсаторы, катушки индуктивности и фильтры. Это явление особенно характерно для маломощных приводов, что можно увидеть из исследовательского отчета (1) ECPE (Европейский центр силовой электроники). Для современных приводов мощностью менее 2,2 кВт пакет силовых полупроводниковых модулей составляет только 6% от всего объема устройства, что примерно эквивалентно объему, занимаемому клеммой кабеля. Конденсаторная батарея промежуточного контура составляет около 12% объема, что составляет два силовых устройства. Компонент, который занимает больше всего места, - это плата управления (примерно 23% объема), поскольку она содержит не только схемы привода и управления, но также блок питания и фильтры электромагнитных помех (рис. 2). Такая тенденция распространяется и на системы преобразования большой мощности. Силовые электронные устройства становятся все меньше и меньше, но объем пассивных компонентов, кабелей и клемм силовых цепей в основном не меняется.
Рисунок 2 Сравнение различных компонентов / объемов современного привода мощностью 2,2 кВт
В настоящее время размер силовых устройств больше не зависит от площади, занимаемой полупроводниковыми микросхемами, а зависит от выводов главной схемы. Поэтому для людей нереально ожидать уменьшения объема силовых электронных модулей, чтобы снизить затраты и достичь той же степени, что и уменьшение размера микросхемы. Более того, при наличии вибрации большие поперечные сечения кабелей и шины постоянного тока будут вызывать относительно большие нагрузки на модуль, и эти факторы могут даже отрицательно повлиять на надежность соединительных компонентов. Поэтому компоненты для снятия напряжения и дополнительные компоненты механического усиления для звеньев цепи постоянного тока также играют важную роль в конструкции преобразователей мощности. Постоянно увеличивающаяся удельная мощность полупроводниковых модулей вызывает у пользователей все больше и больше проблем с отводом тепла. Когда мощность остается прежней, объем модуля становится все меньше и меньше, а значение потерь мощности модуля мощности единичного объема постепенно увеличивается, что выдвигает более высокие требования к радиатору. В системе принудительного воздушного охлаждения из-за надежности обычно маловероятно использовать максимальную мощность модуля, потому что мы не рекомендуем пользователям повышать температуру радиатора. Следовательно, чтобы использовать радиатор наилучшим образом, необходимо рассредоточить источник тепла, чтобы избежать горячих точек. Запустив модуль SEMiX®, SEMIKRON предложила новый тест, в котором в силовых компонентах используется один полумостовой модуль вместо интегрированного модуля с шестью трубками. При использовании принудительного воздушного охлаждения модули могут устанавливаться через определенные промежутки времени. Благодаря соответствующему эффекту теплопроводности температура подложки модуля намного ниже, что может увеличить выходную мощность. На рисунке 3 показан положительный эффект теплопередачи. В этом примере, если модули устанавливаются на радиаторе через определенные промежутки времени, максимальная температура радиатора снижается с 96 ° C до 91 ° C. Конечно, полумостовой модуль также можно заменить интегрированным модулем из шести трубок. В этом случае при использовании водяного охлаждения можно получить компактное решение с более высокой удельной мощностью.
В течение некоторого времени некоторые люди сосредотачивали свои исследования на разработке новых технологий монтажа и соединения, чтобы приспособиться к использованию новых микросхем с увеличивающейся плотностью тока. До сих пор ни одна технология не была полностью успешной из-за ограничений надежности и гибкости. Кроме того, разработка новых технологий подключения также обусловлена большей интеграцией (схемы привода и пассивные компоненты) и технологией двустороннего отвода тепла для модульных микросхем. Благодаря использованию многослойных печатных плат, металлизированных устройств, паяльных корпусов и даже изогнутых печатных плат (2) в технологии соединений был достигнут большой прогресс. Использование этих высокоинтегрированных технологий в коммерческих силовых электронных модулях - лишь вопрос времени. Разработка платформы продукта Помимо технических проблем, упомянутых выше, платформы продукта в области силовой электроники также играют все более важную роль. Так называемая разработка платформы продукта здесь относится к разработке базовых модулей, которые представляют собой платформы для разработки или проектирования различных серий продуктов. Например, когда мы видим один и тот же автомобильный двигатель и компоненты шасси на разных моделях автомобилей одного и того же производителя, можно сказать, что автомобильная промышленность является предшественником этой&платформы продукта" концепция. Наши клиенты также реализуют ту же стратегию при разработке и производстве преобразователей, но проблема в том, что их деятельность по разработке не получила достаточной поддержки со стороны производителей полупроводников. В полупроводниковых модулях, которые сейчас продаются на рынке, слишком много несоответствий в различных моделях и технологиях подключения. В результате клиентам сложно производить различные серии преобразователей с одинаковыми характеристиками на основе стандартных компонентов и модулей. В связи с запуском продуктовой платформы SEMiX®, SEMIKRON стремится предоставить решение для модулей мощностью от 15 до 150 кВт. Рисунок 4 иллюстрирует концепцию платформы продукта SEMiX®. На основе базового модуля могут быть изготовлены разные версии модуля для разных диапазонов мощности, топологий, уровней интеграции и разных форм упаковки, чтобы своевременно удовлетворять потребности конкретных пользователей.
Для разных уровней тока и топологических структур сам базовый модуль имеет четыре различных типа модульной упаковки. Однако эти четыре пакета основаны на одной и той же платформе внутренних компонентов, что означает, что интерфейс между звеном постоянного тока и схемой управления согласован во всем диапазоне мощностей. Запуск SEMiX позволяет нам запастись этим предсерийным стандартным модулем продукции, чтобы можно было быстро произвести и доставить индивидуальные продукты. Для разработчиков преобразователей это означает, что измерение мощности и функций компонентов модуля проще, а также может снизить сложность процесса разработки и время, которое оно занимает. Исходя из этого, чтобы соответствовать заказной топологии' и реализовать непрерывное расширение серии продуктов заказчика'. Дальнейшим рыночным спросом является оптимизация подключения периферийных устройств силовых модулей. Он включает в себя короткие и адаптируемые клеммы главной цепи и подключение интегральной схемы привода. Платформа SEMiX впервые установила схему привода непосредственно на силовой модуль, что сделало путь подключения очень коротким. Заключение Благодаря превосходной технологии изготовления микросхем плотность тока современных силовых полупроводников увеличилась примерно на 50% по сравнению с силовыми полупроводниками за последние несколько лет. Эта разработка напрямую повышает требования к интеграции компонентов и технологии соединения в силовых полупроводниковых модулях, а также требования к рассеиванию тепла устройством. Для систем принудительного воздушного охлаждения преодолены различные ограничивающие факторы, не способствующие снижению затрат. Принимая во внимание такие технические показатели, как оптимальные потери прямой проводимости и высокая частота переключения, многие существующие технологии изготовления микросхем имеют преимущества, соответствующие конкретным приложениям. С запуском новой серии модулей SEMIX&# 39, SEMIKRON может предоставить широкий спектр модульных продуктов, которые могут реализовывать индивидуальные решения клиентов. В следующие несколько лет серия продуктов SEMIX будет постоянно пополняться и расширяться.