Движещата сила за разработването на нови продукти и технологии в областта на силовата електроника идва от нарастващото търсене на пазара' за по-висока плътност на мощността, по-голяма системна интеграция, здравина и по-висока надеждност. В същото време пазарът търси продукти с ниска цена, стандартизирани интерфейси, гъвкава мащабируемост и модулност. През последните няколко години фокусът в областта на силовата електроника се фокусира най-вече върху изследванията, разработването и модернизирането на нови мощни интегрални схеми, позиционирани на конкретни целеви пазари. Това не само доведе до производството на стандартни IGBT модули, но и някои специални видове модули, оптимизирани да отговарят на специфичните нужди на клиентите. Серийните модули с ниски загуби са оптимизирани за намаляване на спада на напрежението в състояние. Въпреки това, поради много високата си загуба на превключване, има смисъл да се използва този тип модул само в приложения с по-ниски честоти на превключване. Съответно на това, индустрията е разработила и свръхбързи модули, използвани в областта на високите честоти на превключване. Поради малкия опашен ток, тези IGBT модули са идеални за резонансни превключващи преобразуватели. В допълнение, новото поколение енергийно интегрирани модули имат по-висока плътност на мощност и ефективност, без да променят обема на модула. Новите IGBT траншеи и IGBT меки пробиви са във фокуса на бъдещите изследвания и разработки в тази посока, като по този начин допълнително увеличават обхвата на наличните модулни опции. Текущата плътност на модула, съставен от последното поколение IGBT на изкопа и диоди за свободно движение на аксиален носач, достига до 200A / cm2 (Фигура 1). Такава висока плътност на тока прави съществуващия размер на пакета по-ефективен, тоест площта на чипа, изисквана от съществуващото текущо ниво, постепенно ще намалява. Например през 1999 г. SEMIKRON' най-големият 1200V полумостов модул с номинален ток е 400A, но днес същият пакет може да осигури ток 600A. Поради непрекъснатото подобряване на плътността на мощността, производителите и потребителите на захранващи модули често са изправени пред нови предизвикателства.
Фигура 1 Развитие на плътността на тока
За определен период от време обемът на силовите преобразуватели вече не зависи от размера на силовите полупроводникови модули, а от пасивни компоненти като кондензатори, индуктори и филтри. Това явление е особено вярно за задвижванията с ниска мощност, което може да се види от изследователски доклад на (1) ECPE (Европейски център за силова електроника). За съвременни устройства под 2.2kW, пакетът за полупроводникови модули за мощност представлява само 6% от целия обем на устройството, което е приблизително еквивалентно на обема, зает от кабелния терминал. Банката на кондензатора за постоянен ток представлява около 12% от обема, което е две от захранващите устройства. Компонентът, който заема най-голямо пространство, е платката за управление (приблизително 23% от обема), тъй като тя съдържа не само задвижващата и управляващата вериги, но също така и захранващия блок и EMI филтрите (Фигура 2). Подобна тенденция се разпростира и върху системите за преобразуване с висока мощност. Захранващите електронни устройства стават все по-малки и по-малки, но обемът на пасивните компоненти, кабели и клеми на главната верига по същество не се променя.
Фигура 2 Сравнение на различни компоненти / обеми на модерно 2.2kW устройство
В днешно време размерът на силовите устройства вече не зависи от площта, заета от полупроводникови чипове, а от клемите на главната верига. Следователно е нереалистично хората да очакват да намалят обема на силовите електронни модули, така че да намалят разходите и да постигнат същата степен като намаляването на размера на чипа. Освен това, при наличие на вибрации, големите напречни сечения на кабелите и постояннотоковите шини ще причинят относително голямо напрежение на модула и тези фактори могат дори да имат отрицателен ефект върху надеждността на свързващите компоненти. Следователно, компонентите за освобождаване от напрежение и допълнителните компоненти за механично усилване на веригите за постоянен ток също играят важна роля при проектирането на преобразуватели на мощност. Непрекъснато нарастващата плътност на мощността в полупроводниковите модули причинява все повече проблеми с разсейването на топлината за потребителите. Когато мощността остане същата, обемът на модула става все по-малък и стойността на загубата на мощност на модула за единица обем постепенно се увеличава, което поставя по-високи изисквания към радиатора. В системата за принудително въздушно охлаждане поради надеждност обикновено е малко вероятно да се използва максималната мощност на модула, тъй като не препоръчваме на потребителите да повишават температурата на радиатора. Следователно, за да се използва по най-добрия начин радиатора, е необходимо да се разпръсне топлинният източник, за да се избегнат горещи точки. Чрез стартирането на модула SEMiX®, SEMIKRON предложи нов еталон, който използва единичен полумостов модул вместо интегриран модул от шест тръби в захранващите компоненти. Когато се използва принудително въздушно охлаждане, модулите могат да се инсталират на интервали. Поради съответния ефект на топлопроводимост, температурата на основата на модула е много по-ниска, което може да увеличи изходната мощност. Фигура 3 показва положителния ефект от преноса на топлина. В този пример, ако модулите са инсталирани на радиатора на интервали, максималната температура на радиатора се намалява от 96 ° C на 91 ° C. Разбира се, полумостовият модул може да бъде заменен и от интегриран модул с шест тръби. В този случай, ако се използва водно охлаждане, може да се постигне компактно решение с по-висока плътност на мощността.
От известно време някои хора фокусират своите изследвания върху разработването на нови технологии за монтаж и свързване, за да се адаптират към използването на нови чипове с нарастваща плътност на тока. Досега нито една технология не е била напълно успешна поради ограниченията на надеждността и гъвкавостта. В допълнение, развитието на новите технологии за свързване също се ръководи от по-голяма интеграция (задвижващи вериги и пасивни компоненти) и технология за двустранно разсейване на топлината за модулни чипове. Поради използването на многослойни платки, метализирани устройства, запояващи пакети и дори извити платки (2) е постигнат голям напредък в технологията за свързване. Използването на тези силно интегрирани технологии в търговските силови електронни модули е само въпрос на време. Разработване на продуктова платформа В допълнение към споменатите технически предизвикателства, продуктовите платформи в областта на силовата електроника също играят все по-важна роля. Така нареченото разработване на продуктова платформа тук се отнася до разработването на основни модули, които са платформи за разработване или проектиране на различни продуктови серии. Например, когато виждаме един и същ автомобилен двигател и компоненти на шасито на различни модели автомобили от един и същ производител, може да се каже, че автомобилната индустрия е предшественик на тази&продуктова платформа" концепция. Нашите клиенти също прилагат същата стратегия по време на разработването и производството на преобразуватели, но проблемът е, че техните разработки не са получили достатъчна подкрепа от производителите на полупроводници. В полупроводниковите модули, които в момента се продават на пазара, има твърде много несъответствия в различните модели и технологии за свързване. Резултатът е, че е трудно за клиентите да произвеждат различни серии конвертори с постоянна производителност въз основа на стандартни компоненти и модули. Поради пускането на продуктовата платформа SEMiX®, SEMIKRON се ангажира да предостави решение за модули в диапазона 15-150kW. Фигура 4 илюстрира концепцията за продуктовата платформа SEMiX®. Въз основа на основния модул могат да бъдат произведени различни версии на модула за различни диапазони на мощност, топологии, нива на интеграция и различни форми на опаковка, така че да се отговори своевременно на нуждите на конкретни потребители.
За различните текущи нива и топологични структури самият основен модул има четири различни вида модулни опаковки. Тези четири пакета обаче се базират на една и съща вътрешна компонентна платформа, което означава, че интерфейсът между DC връзката и задвижващата верига е последователен в целия диапазон на мощността. Пускането на SEMiX ни позволява да се запасим от този стандартен продуктов модул за предварителна продукция, за да могат бързо да се произвеждат и доставят персонализирани продукти. За дизайнерите на конвертори това означава, че измерването на мощността и функциите на компонентите на модула е по-просто и може също да намали сложността на процеса на разработка и времето, което е необходимо. На тази основа, за да се срещне персонализираната топология на клиента&# 39 и да се осъществи непрекъснатото разширяване на продуктовата серия на клиента' По-нататъшното търсене на пазара е оптимизираното свързване на периферните устройства на силовите модули. Той включва къси и адаптивни клеми на главната верига и свързването на интегралната схема на задвижването. За първи път платформата SEMiX инсталира задвижващата верига директно върху захранващия модул, което направи пътя на свързване много кратък. Заключение Благодарение на превъзходната чип технология, текущата плътност на съвременните силови полупроводници се е увеличила с около 50% в сравнение със силовите полупроводници през последните няколко години. Това развитие директно повдига изискванията за интеграция на компоненти и технологията за свързване в полупроводникови модули, както и изискванията за разсейване на топлината на устройството. За принудителните системи за въздушно охлаждане са преодолени различни ограничаващи фактори, които не са благоприятни за намаляване на разходите. Като се вземат предвид техническите показатели като оптимална загуба на проводимост напред и висока честота на превключване, много съществуващи чип технологии имат предимства, съответстващи на специфични приложения. С пускането на новата серия модули на SEMIX&# 39, SEMIKRON може да предостави широка гама от модулни продукти, които могат да реализират специфични за клиента решения. Продуктовата серия SEMIX ще бъде непрекъснато добавяна и разширявана през следващите няколко години.