Tenaga penggerak untuk pengembangan produk dan teknologi baru dalam bidang elektronik tenaga datang dari permintaan&# 39 yang semakin meningkat untuk kepadatan kuasa yang lebih tinggi, integrasi sistem yang lebih besar, kekasaran, dan kebolehpercayaan yang lebih tinggi. Pada masa yang sama, pasaran menuntut produk kos rendah, antara muka standard, skalabiliti fleksibel dan modulariti. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, fokus bidang elektronik kuasa kebanyakannya tertumpu pada penyelidikan, pengembangan dan peningkatan litar bersepadu berkuasa tinggi baru yang ditempatkan di pasar sasaran tertentu. Ini bukan sahaja menyebabkan pengeluaran modul IGBT standard, tetapi juga beberapa jenis modul khas yang dioptimumkan untuk memenuhi keperluan pelanggan tertentu. Modul siri kerugian rendah dioptimumkan untuk mengurangkan penurunan voltan keadaan. Namun, kerana kehilangan pensuisan yang sangat tinggi, hanya berguna untuk menggunakan modul jenis ini dalam aplikasi dengan frekuensi beralih yang lebih rendah. Sejalan dengan ini, industri juga telah mengembangkan modul ultra cepat yang digunakan dalam bidang frekuensi beralih tinggi. Oleh kerana arus ekor kecil, modul IGBT ini sangat sesuai untuk penukar pensuisan resonan. Di samping itu, generasi baru modul bersepadu kuasa mempunyai kepadatan dan kecekapan kuasa yang lebih tinggi tanpa mengubah jumlah modul. IGBT parit baru dan IGBT yang lemah lembut menjadi tumpuan penyelidikan dan pengembangan masa depan ke arah ini, dengan itu meningkatkan lagi rangkaian pilihan modul yang tersedia. Ketumpatan arus modul yang terdiri daripada generasi terbaru IGBT parit dan diod freewheeling kawalan seumur hidup pembawa paksi mencapai 200A / cm2 (Rajah 1). Ketumpatan arus yang tinggi menjadikan ukuran pakej yang ada lebih cekap, iaitu, kawasan cip yang diperlukan oleh tahap semasa yang ada secara beransur-ansur akan berkurang. Contohnya, pada tahun 1999, SEMIKRON&# 1200 modul separuh jambatan terbesar dinilai arus ialah 400A, tetapi hari ini pakej yang sama dapat memberikan arus 600A. Oleh kerana peningkatan kepadatan kuasa yang berterusan, pengeluar dan pengguna modul kuasa sering menghadapi cabaran baru.
Rajah 1 Perkembangan ketumpatan arus
Untuk jangka waktu tertentu, jumlah penukar kuasa tidak lagi bergantung pada ukuran modul semikonduktor kuasa, tetapi oleh komponen pasif seperti kapasitor, induktor, dan penapis. Fenomena ini terutama berlaku untuk pemacu berkuasa rendah, yang dapat dilihat dari laporan penyelidikan (1) ECPE (Pusat Eropah untuk Elektronik Daya). Untuk pemacu moden di bawah 2.2kW, pakej modul semikonduktor kuasa hanya menyumbang 6% daripada keseluruhan kelantangan peranti, yang kira-kira sama dengan isipadu yang dihuni oleh terminal kabel. Bank kapasitor pautan DC menyumbang kira-kira 12% daripada jumlah, yang merupakan dua daripada peranti kuasa. Komponen yang mengambil ruang terbesar adalah papan litar kawalan (kira-kira 23% daripada jumlah), kerana tidak hanya mengandungi litar pemacu dan kawalan, tetapi juga unit bekalan kuasa dan penapis EMI (Gambar 2). Trend seperti ini juga meluas ke sistem penukaran kuasa tinggi. Peranti elektronik kuasa semakin kecil dan kecil, tetapi jumlah komponen pasif, kabel dan terminal litar utama pada dasarnya tidak berubah.
Rajah 2 Perbandingan pelbagai komponen / isipadu pada pemacu 2.2kW moden
Pada masa ini, saiz peranti kuasa tidak lagi bergantung pada kawasan yang dihuni oleh cip semikonduktor, tetapi pada terminal litar utama. Oleh itu, adalah tidak realistik bagi orang untuk mengharapkan pengurangan jumlah modul elektronik kuasa untuk mengurangkan kos dan mencapai tahap yang sama dengan pengurangan saiz cip. Lebih-lebih lagi, jika terdapat getaran, keratan rentas kabel yang besar dan bar bus DC akan menyebabkan tekanan yang agak besar pada modul, dan faktor-faktor ini bahkan mungkin memberi kesan negatif terhadap kebolehpercayaan komponen penyambung. Oleh itu, komponen penghilang tekanan dan komponen tetulang mekanikal tambahan untuk pautan litar DC juga memainkan peranan penting dalam reka bentuk penukar kuasa. Ketumpatan kuasa yang semakin meningkat dalam modul semikonduktor menyebabkan masalah pelesapan haba semakin banyak bagi pengguna. Apabila daya tetap sama, isipadu modul menjadi lebih kecil dan lebih kecil, dan nilai kehilangan kuasa modul daya isi padu secara beransur-ansur meningkat, yang mengemukakan keperluan yang lebih tinggi pada radiator. Dalam sistem penyejukan udara paksa, kerana kebolehpercayaan, biasanya tidak mungkin menggunakan kekuatan maksimum modul, kerana kami tidak mengesyorkan pengguna untuk meningkatkan suhu radiator. Oleh itu, untuk memanfaatkan radiator dengan sebaik-baiknya, perlu menyebarkan sumber haba untuk mengelakkan kawasan panas. Dengan melancarkan modul SEMiX®, SEMIKRON telah mencadangkan penanda aras baru yang menggunakan modul separuh jambatan tunggal dan bukannya modul pakej enam tiub bersepadu dalam komponen kuasa. Apabila penyejukan udara paksa digunakan, modul dapat dipasang pada selang waktu. Oleh kerana kesan konduksi haba yang sesuai, suhu substrat modul jauh lebih rendah, yang dapat meningkatkan daya output. Rajah 3 menunjukkan kesan positif penghantaran haba. Dalam contoh ini, jika modul dipasang pada pendingin pada selang waktu, suhu maksimum pendingin dikurangkan dari 96 ° C hingga 91 ° C. Sudah tentu, modul jambatan separuh juga boleh diganti dengan modul pakej enam tiub bersepadu. Dalam kes ini, jika penyejukan air digunakan, penyelesaian ringkas dengan ketumpatan daya yang lebih tinggi dapat dicapai.
Untuk beberapa waktu, beberapa orang memfokuskan penyelidikan mereka untuk mengembangkan teknologi pemasangan dan sambungan baru untuk menyesuaikan diri dengan penggunaan cip baru dengan peningkatan kepadatan semasa. Setakat ini, tidak ada satu pun teknologi yang berjaya sepenuhnya kerana keterbatasan kebolehpercayaan dan fleksibiliti. Di samping itu, pengembangan teknologi sambungan baru juga didorong oleh integrasi yang lebih besar (litar pemacu dan komponen pasif) dan teknologi pelesapan haba dua sisi untuk cip modul. Oleh kerana penggunaan papan litar berbilang lapisan, peranti logam, pakej pematerian dan bahkan papan litar melengkung (2) kemajuan besar telah dicapai dalam teknologi sambungan. Penggunaan teknologi yang sangat terintegrasi ini dalam modul elektronik kuasa komersial hanya memerlukan masa. Pembangunan platform produk Di samping cabaran teknikal yang disebutkan di atas, platform produk dalam bidang elektronik kuasa juga memainkan peranan yang semakin penting. Pembangunan platform produk yang disebut di sini merujuk kepada pengembangan modul asas, yang merupakan platform untuk mengembangkan atau merancang rangkaian produk yang berbeza. Sebagai contoh, apabila kita melihat komponen enjin kereta dan casis yang sama pada model kereta yang berbeza dari pengeluar yang sama, boleh dikatakan bahawa industri automotif adalah pendahulu dari" platform produk" ini; konsep. Pelanggan kami juga menerapkan strategi yang sama selama pengembangan dan produksi penukar, tetapi masalahnya adalah bahawa aktiviti pengembangan mereka tidak mendapat sokongan yang cukup dari pengeluar semikonduktor. Dalam modul semikonduktor yang kini dijual di pasaran, terdapat terlalu banyak ketidakkonsistenan dalam model dan teknologi sambungan yang berbeza. Hasilnya adalah sukar bagi pelanggan untuk membuat pelbagai siri penukar dengan prestasi yang konsisten berdasarkan komponen dan modul standard. Oleh kerana pelancaran platform produk SEMiX®, SEMIKRON komited untuk memberikan penyelesaian untuk modul dalam julat 15-150kW. Gambar 4 menggambarkan konsep platform produk SEMiX®. Berdasarkan modul asas, versi modul yang berbeza dapat dihasilkan untuk julat daya, topologi, tahap integrasi, dan bentuk pembungkusan yang berbeza, sehingga dapat memenuhi keperluan pengguna tertentu tepat pada masanya.
Untuk tahap dan struktur topologi semasa yang berbeza, modul asas itu sendiri mempunyai empat jenis pembungkusan modul. Walau bagaimanapun, keempat-empat pakej ini didasarkan pada platform komponen dalaman yang sama, yang bermaksud bahawa antara muka antara pautan DC dan litar pemacu adalah konsisten di seluruh julat kuasa. Pelancaran SEMiX membolehkan kami menyimpan modul produk standard pra-pengeluaran ini, supaya produk yang disesuaikan dapat dihasilkan dan dihantar dengan cepat. Bagi pereka penukar, ini bermaksud mengukur kekuatan dan fungsi komponen modul lebih mudah, dan juga dapat mengurangkan kerumitan proses pengembangan dan masa yang diperlukan. Atas dasar ini, untuk memenuhi topologi pelanggan&# 39 dan merealisasikan lanjutan rangkaian produk&# 39 yang berterusan. Permintaan pasaran yang lebih jauh adalah sambungan optimum modul kuasa yang dioptimumkan. Ia merangkumi terminal litar utama yang pendek dan mudah disesuaikan serta sambungan litar bersepadu pemacu. Buat pertama kalinya, platform SEMiX memasang litar pemacu secara langsung pada modul kuasa, yang menjadikan jalan sambungan sangat pendek. Kesimpulan Oleh kerana teknologi cip yang luar biasa, kepadatan semikonduktor kuasa moden sekarang telah meningkat sekitar 50% berbanding dengan semikonduktor kuasa beberapa tahun kebelakangan. Perkembangan ini secara langsung meningkatkan keperluan untuk integrasi komponen dan teknologi sambungan dalam modul semikonduktor kuasa, serta keperluan untuk pelesapan haba peranti. Untuk sistem penyejukan udara paksa, pelbagai faktor pembatas yang tidak kondusif untuk pengurangan kos telah diatasi. Dengan mengambil kira petunjuk teknikal seperti kehilangan konduksi maju yang optimum dan frekuensi pensuisan yang tinggi, banyak teknologi cip yang ada mempunyai kelebihan yang sesuai dengan aplikasi tertentu. Dengan pelancaran siri modul baru SEMIX&# 39, SEMIKRON dapat menyediakan pelbagai produk modular yang dapat merealisasikan penyelesaian khusus pelanggan. Siri produk SEMIX akan terus ditambah dan dikembangkan dalam beberapa tahun akan datang.