Pokretačka snaga za razvoj novih proizvoda i tehnologija na polju energetske elektronike dolazi od sve veće potražnje tržišta' za većom gustoćom snage, većom integracijom sustava, robusnošću i većom pouzdanošću. Istodobno, tržište zahtijeva jeftine proizvode, standardizirana sučelja, fleksibilnu skalabilnost i modularnost. U posljednjih nekoliko godina fokus polja energetske elektronike uglavnom se fokusirao na istraživanje, razvoj i nadogradnju novih integriranih sklopova velike snage smještenih na određenim ciljnim tržištima. To nije samo dovelo do proizvodnje standardnih IGBT modula, već i nekih posebnih vrsta modula optimiziranih da zadovolje specifične potrebe kupaca. Serijski moduli s malim gubicima optimizirani su za smanjenje pada napona u stanju. Međutim, zbog vrlo visokog prekidačkog gubitka, smisleno je koristiti ovu vrstu modula u aplikacijama s nižim preklopnim frekvencijama. Sukladno tome, industrija je također razvila ultra brze module koji se koriste u području visokih komutacijskih frekvencija. Zbog male repne struje, ovi IGBT moduli idealni su za rezonantne komutacijske pretvarače. Uz to, nova generacija integriranih modula snage imaju veću gustoću snage i učinkovitost bez promjene volumena modula. Novi IGBT-ovi u rovu i IGBT-ovi s mekim probijanjem fokus su budućih istraživanja i razvoja u ovom smjeru, čime se dodatno povećava raspon dostupnih opcija modula. Trenutna gustoća modula koji se sastoji od najnovije generacije IGBT-a u rovu i dioda slobodnog hoda s aksijalnim nosačem nosača doseže 200A / cm2 (slika 1). Tako velika gustoća struje čini postojeću veličinu paketa učinkovitijom, to jest, površina čipa potrebna za postojeću trenutnu razinu postupno će se smanjivati. Na primjer, 1999. SEMIKRON&br. 39, najveći naponski most modula od 1200 V nazivne struje bio je 400A, ali danas isti paket može pružiti struju od 600A. Zbog stalnog poboljšanja gustoće snage, proizvođači i korisnici modula napajanja često se susreću s novim izazovima.
Slika 1 Razvoj gustoće struje
Neko vrijeme volumen pretvarača snage više ne ovisi o veličini poluvodičkih modula snage, već o pasivnim komponentama poput kondenzatora, prigušnica i filtara. Ova se pojava posebno odnosi na pogone male snage, što se može vidjeti iz izvješća o istraživanju (1) ECPE (Europskog centra za energetsku elektroniku). Za moderne pogone ispod 2,2kW, paket poluvodičkih modula snage čini samo 6% ukupne glasnoće uređaja, što je približno ekvivalent volumenu zauzetom kabelskim priključkom. Kondenzator istosmjerne veze čini oko 12% glasnoće, što je dva od uređaja za napajanje. Komponenta koja zauzima najveći prostor je upravljačka pločica (približno 23% volumena), jer sadrži ne samo pogonski i upravljački krug, već i jedinicu napajanja i EMI filtre (slika 2). Takav se trend proširio i na sustave za pretvorbu velike snage. Energetski elektronički uređaji postaju sve manji, ali volumen pasivnih komponenata, kabela i stezaljki glavnog kruga u osnovi se ne mijenja.
Slika 2 Usporedba različitih komponenata / volumena na modernom pogonu od 2,2 kW
U današnje vrijeme veličina uređaja za napajanje više ne ovisi o površini koju zauzimaju poluvodički čipovi, već o stezaljkama glavnog kruga. Stoga je nerealno da ljudi očekuju da će smanjiti količinu elektroničkih modula snage kako bi smanjili troškove i postigli isti stupanj kao i smanjenje veličine čipa. Štoviše, u prisutnosti vibracija, veliki presjeci kabela i istosmjerne sabirnice uzrokovat će relativno veliko opterećenje na modulu, a ti čimbenici mogu čak negativno utjecati na pouzdanost spojnih komponenata. Stoga komponente za uklanjanje naprezanja i dodatne komponente mehaničkog ojačanja za veze istosmjernog kruga također igraju važnu ulogu u dizajnu pretvarača snage. Sve veća gustoća snage u poluvodičkim modulima uzrokuje sve više problema s odvođenjem topline korisnicima. Kad snaga ostane ista, glasnoća modula postaje sve manja i manja, a vrijednost gubitka snage jediničnog modula za volumen postupno raste, što postavlja veće zahtjeve na radijator. U sustavu prisilnog zračnog hlađenja, zbog pouzdanosti, obično je malo vjerojatno da će koristiti maksimalnu snagu modula, jer ne preporučujemo korisnicima da povećavaju temperaturu radijatora. Stoga je, kako bi se radijator najbolje iskoristio, potrebno raspršiti izvor topline kako bi se izbjegle žarišta. Pokretanjem SEMiX® modula, SEMIKRON je predložio novo mjerilo koje koristi jedan polumostovni modul umjesto integriranog šesterocijevnog paketnog modula u komponentama napajanja. Kada se koristi prisilno zračno hlađenje, moduli se mogu instalirati u intervalima. Zbog odgovarajućeg učinka toplinske vodljivosti, temperatura podloge modula je znatno niža, što može povećati izlaznu snagu. Slika 3 prikazuje pozitivan učinak prijenosa topline. U ovom primjeru, ako su moduli ugrađeni na hladnjak u intervalima, maksimalna temperatura hladnjaka smanjuje se s 96 ° C na 91 ° C. Naravno, polumostovni modul također se može zamijeniti integriranim paketnim modulom sa šest cijevi. U ovom slučaju, ako se koristi vodeno hlađenje, može se postići kompaktno rješenje s većom gustoćom snage.
Neko su vrijeme neki ljudi usredotočili svoja istraživanja na razvoj novih tehnologija montaže i povezivanja kako bi se prilagodili upotrebi novih čipova s povećanom gustoćom struje. Do sada niti jedna tehnologija nije bila u potpunosti uspješna zbog ograničenja pouzdanosti i fleksibilnosti. Uz to, razvoj novih tehnologija povezivanja također je potaknut većom integracijom (pogonski krugovi i pasivne komponente) i dvostranom tehnologijom odvođenja topline za modularne čipove. Zahvaljujući upotrebi višeslojnih pločica, metaliziranih uređaja, paketa za lemljenje, pa čak i zakrivljenih pločica (2), postignut je velik napredak u tehnologiji povezivanja. Korištenje ovih visoko integriranih tehnologija u komercijalnim elektroenergetskim modulima samo je pitanje vremena. Razvoj platforme proizvoda Pored gore spomenutih tehničkih izazova, platforme proizvoda na polju energetske elektronike također igraju sve značajniju ulogu. Takozvani razvoj platforme proizvoda ovdje se odnosi na razvoj osnovnih modula, koji su platforme za razvoj ili dizajniranje različitih serija proizvoda. Na primjer, kada vidimo isti motor i dijelove šasije automobila na različitim modelima automobila istog proizvođača, može se reći da je automobilska industrija preteča ovog&proizvoda; platforma proizvoda" koncept. Naši kupci također primjenjuju istu strategiju tijekom razvoja i proizvodnje pretvarača, ali problem je što njihove razvojne aktivnosti nisu dobile dovoljnu podršku proizvođača poluvodiča. U poluvodičkim modulima koji se trenutno prodaju na tržištu ima previše nedosljednosti u različitim modelima i tehnologijama povezivanja. Rezultat je to da je kupcima teško proizvesti razne serije pretvarača s dosljednim performansama na temelju standardnih komponenata i modula. Zbog pokretanja platforme proizvoda SEMiX®, SEMIKRON se zalaže za pružanje rješenja za module u rasponu od 15-150kW. Slika 4 ilustrira koncept platforme proizvoda SEMiX®. Na temelju osnovnog modula mogu se proizvesti različite verzije modula za različite raspone snage, topologije, razine integracije i različite oblike pakiranja, kako bi se pravovremeno zadovoljile potrebe određenih korisnika.
Za različite trenutne razine i topološke strukture, sam osnovni modul ima četiri različite vrste pakiranja modula. Međutim, ova se četiri paketa temelje na istoj platformi unutarnjih komponenata, što znači da je sučelje između istosmjerne veze i pogonskog kruga konzistentno u cijelom rasponu snage. Pokretanje SEMiX-a omogućuje nam da se opskrbimo ovim pretproizvodnim standardnim modulom proizvoda, tako da se prilagođeni proizvodi mogu brzo proizvesti i isporučiti. Za dizajnere pretvarača to znači da je mjerenje snage i funkcija komponenata modula jednostavnije, a također može smanjiti složenost razvojnog procesa i potrebno vrijeme. Na toj osnovi, kako bi se zadovoljila prilagođena topologija kupca&# 39 i ostvarilo kontinuirano proširenje serije proizvoda kupaca' Daljnja potražnja na tržištu je optimizirano povezivanje perifernih uređaja modula napajanja. Uključuje kratke i prilagodljive stezaljke glavnog kruga i spoj integriranog kruga pogona. Po prvi puta je SEMiX platforma instalirala pogonski krug izravno na modul napajanja, što je učinilo put povezivanja vrlo kratkim. Zaključak Zahvaljujući vrhunskoj tehnologiji čipova, trenutna gustoća modernih energetskih poluvodiča povećala se za oko 50% u odnosu na energetske poluvodiče u posljednjih nekoliko godina. Ovaj razvoj izravno postavlja zahtjeve za integraciju komponenata i tehnologiju povezivanja u poluvodičkim modulima snage, kao i zahtjeve za odvođenjem topline uređaja. Za sustave prisilnog zračnog hlađenja prevladani su različiti ograničavajući čimbenici koji ne pogoduju smanjenju troškova. Uzimajući u obzir tehničke pokazatelje kao što su optimalni gubitak vodljivosti prema naprijed i velika frekvencija prebacivanja, mnoge postojeće tehnologije čipova imaju prednosti koje odgovaraju određenim primjenama. Pokretanjem nove serije modula SEMIX&# 39, SEMIKRON može pružiti široku paletu modularnih proizvoda koji mogu realizirati rješenja specifična za kupca. Serija proizvoda SEMIX kontinuirano će se dodavati i proširivati u sljedećih nekoliko godina.