Рушійною силою для розробки нових продуктів та технологій у галузі силової електроніки походить зростаючий попит на ринок' більша щільність потужності, більша інтеграція системи, міцність та вища надійність. У той же час ринок вимагає недорогих продуктів, стандартизованих інтерфейсів, гнучкої масштабованості та модульності. Протягом останніх кількох років основна увага в галузі енергетичної електроніки була зосереджена в основному на дослідженнях, розробці та модернізації нових потужних інтегральних схем, розташованих на конкретних цільових ринках. Це призвело не лише до виробництва стандартних модулів IGBT, а й до деяких спеціальних типів модулів, оптимізованих для задоволення конкретних потреб клієнтів. Модулі серії з низькими втратами оптимізовані для зменшення падіння напруги у стані. Однак через дуже великі втрати на комутацію сенс використовувати цей тип модуля лише в додатках з нижчими частотами комутації. Відповідно до цього, галузь також розробила надшвидкі модулі, що використовуються в області високих частот комутації. Завдяки невеликому хвостовому струму, ці модулі IGBT ідеально підходять для резонансних комутаційних перетворювачів. Крім того, нове покоління енергоінтегрованих модулів має вищу щільність та ефективність потужності без зміни обсягу модуля. Нові траншейні IGBT та м'які пробивні IGBT є фокусом майбутніх досліджень та розробок у цьому напрямку, тим самим збільшуючи діапазон доступних варіантів модулів. Щільність струму модуля, що складається з траншейних IGBT-траншей та діапазонів вільного ходу, що регулюють термін служби осьових несучих, досягає 200А / см2 (рис. 1). Така висока щільність струму робить існуючий розмір упаковки більш ефективним, тобто площа мікросхеми, необхідна існуючим поточним рівнем, поступово зменшиться. Наприклад, у 1999 р. Найбільший номінальний струм напівмостового модуля 1200 В SEMIKRON&№ 39 становив 400 А, але сьогодні той самий пакет може забезпечити струм 600 А. Завдяки постійному покращенню щільності потужності, виробники та користувачі модулів живлення часто стикаються з новими проблемами.
Рисунок 1 Розвиток щільності струму
Протягом певного періоду часу об’єм перетворювачів потужності вже не залежить від розміру силових напівпровідникових модулів, а від пасивних компонентів, таких як конденсатори, індуктори та фільтри. Це явище особливо справедливо для малопотужних приводів, що видно із звіту про дослідження (1) ECPE (Європейський центр силової електроніки). Для сучасних накопичувачів потужністю менше 2,2 кВт на комплект напівпровідникового модуля потужності припадає лише 6% від усього обсягу пристрою, що приблизно еквівалентно обсягу, зайнятому кабельним терміналом. На конденсаторну батарею постійного струму припадає близько 12% обсягу, тобто два енергетичних пристрою. Компонентом, який займає найбільший простір, є плата управління (приблизно 23% від обсягу), оскільки вона містить не тільки схеми приводу та управління, але також блок живлення та фільтри EMI (рис. 2). Така тенденція поширюється також на системи перетворення потужних потужностей. Електронні електронні пристрої стають дедалі меншими, але обсяг пасивних компонентів, кабелів та клем основних схем в основному не змінюється.
Рисунок 2 Порівняння різних компонентів / об'ємів на сучасному приводі потужністю 2,2 кВт
У наш час розмір силових пристроїв залежить вже не від площі, зайнятої напівпровідниковими мікросхемами, а від клем основного кола. Тому нереально для людей розраховувати на зменшення обсягу силових електронних модулів, щоб зменшити витрати і досягти такого ж ступеня, як зменшення розміру мікросхеми. Більше того, за наявності вібрації великі перерізи кабелів та шини постійного струму спричинять відносно велике напруження для модуля, і ці фактори можуть навіть негативно позначитися на надійності сполучних компонентів. Тому компоненти для зняття напруги та додаткові компоненти механічного підсилення для ланцюгів постійного струму також відіграють важливу роль у конструкції перетворювачів потужності. Постійно зростаюча щільність потужності в напівпровідникових модулях викликає у користувачів все більше і більше проблем з розсіюванням тепла. Коли потужність залишається незмінною, обсяг модуля стає все меншим і меншим, і значення втрат потужності модуля потужності блоку обсягу поступово збільшується, що висуває більш високі вимоги до радіатора. В системі примусового повітряного охолодження через надійність зазвичай малоймовірно використовувати максимальну потужність модуля, оскільки ми не рекомендуємо користувачам підвищувати температуру радіатора. Тому, щоб найкращим чином використати радіатор, необхідно розпорошити джерело тепла, щоб уникнути гарячих точок. Запустивши модуль SEMiX®, SEMIKRON запропонував новий орієнтир, який використовує єдиний напівмостовий модуль замість вбудованого шеститрубного пакетного модуля в силові компоненти. Коли використовується примусове повітряне охолодження, модулі можуть встановлюватися з інтервалом. Завдяки відповідному ефекту теплопровідності температура підкладки модуля значно нижча, що може збільшити вихідну потужність. На рисунку 3 показано позитивний ефект передачі тепла. У цьому прикладі, якщо модулі встановлюються на радіаторі з інтервалом, максимальна температура радіатора знижується з 96 ° C до 91 ° C. Звичайно, напівмостовий модуль також можна замінити вбудованим шеститрубним пакетним модулем. У цьому випадку, якщо використовується водяне охолодження, можна досягти компактного рішення з більшою щільністю потужності.
Деякий час деякі люди зосереджували свої дослідження на розробці нових технологій монтажу та підключення для адаптації до використання нових мікросхем зі збільшенням щільності струму. На сьогодні жодна окрема технологія не була повністю успішною через обмеження надійності та гнучкості. Крім того, розвиток нових технологій підключення також зумовлений більшою інтеграцією (ланцюгами приводу та пасивними компонентами) та двосторонньою технологією розсіювання тепла для модульних мікросхем. Завдяки використанню багатошарових друкованих плат, металізованих пристроїв, паяльних пакетів і навіть криволінійних друкованих плат (2) був досягнутий великий прогрес у технології підключення. Використання цих високоінтегрованих технологій у комерційних силових електронних модулях - це лише питання часу. Розробка товарної платформи На додаток до зазначених вище технічних проблем, платформи продуктів у галузі енергетичної електроніки також відіграють все більш важливу роль. Так звана розробка товарної платформи тут стосується розробки базових модулів, які є платформами для розробки або проектування різних серій продуктів. Наприклад, коли ми бачимо однакові автомобільні двигуни та компоненти шасі на різних моделях автомобілів від одного виробника, можна сказати, що автомобільна промисловість є попередником цього&продукту; платформа продукту" концепція. Наші замовники також застосовують ту саму стратегію під час розробки та виробництва перетворювачів, але проблема полягає в тому, що їх діяльність з розробки не отримала достатньої підтримки від виробників напівпровідників. У напівпровідникових модулях, які зараз продаються на ринку, є занадто багато невідповідностей у різних моделях та технологіях підключення. Результатом є те, що клієнтам важко виготовляти різні серії конвертерів зі стабільною продуктивністю на основі стандартних компонентів та модулів. Завдяки запуску платформи продуктів SEMiX®, SEMIKRON прагне забезпечити рішення для модулів в діапазоні 15-150 кВт. Рисунок 4 ілюструє концепцію продуктової платформи SEMiX®. На основі базового модуля можуть бути виготовлені різні версії модулів для різних діапазонів потужності, топологій, рівнів інтеграції та різних форм упаковки, щоб своєчасно задовольнити потреби конкретних користувачів.
Для різних рівнів струму та топологічних структур сам базовий модуль має чотири різні типи упаковки модулів. Однак ці чотири пакети базуються на одній і тій же внутрішній компонентній платформі, що означає, що інтерфейс між ланкою постійного струму та ланцюгом приводу узгоджується в усьому діапазоні потужності. Запуск SEMiX дозволяє нам запастись цим стандартним модулем продукту, що дозволяє швидко виготовити та доставити замовлені товари. Для конструкторів перетворювачів це означає, що вимірювання потужності та функцій компонентів модуля простіше, а також може зменшити складність процесу розробки та час, який потрібно. На цій основі, щоб задовольнити індивідуальну топологію замовника&# 39 і реалізувати постійне розширення серії продуктів замовника' Подальшим попитом на ринку є оптимізоване підключення периферійних пристроїв силових модулів. Він включає короткі та адаптовані висновки основної схеми та підключення інтегральної схеми приводу. Вперше платформа SEMiX встановила схему приводу безпосередньо на силовий модуль, що зробило шлях з'єднання дуже коротким. Висновок Завдяки чудовій технології мікросхем поточна щільність сучасних силових напівпровідників зросла приблизно на 50% порівняно з силовими напівпровідниками останніх кількох років. Ця розробка безпосередньо підвищує вимоги до інтеграції компонентів та технології підключення силових напівпровідникових модулів, а також вимоги до тепловиділення пристрою. Для систем примусового повітряного охолодження подолано різні обмежувальні фактори, які не сприяють зниженню витрат. Беручи до уваги такі технічні показники, як оптимальні втрати провідності вперед і висока частота комутації, багато існуючих чіп-технологій мають переваги, що відповідають конкретним додаткам. З запуском нової серії модулів SEMIX' SEMIKRON може запропонувати широкий спектр модульних продуктів, які можуть реалізувати рішення, що відповідають замовнику. Серія продуктів SEMIX буде постійно додаватися та розширюватися протягом наступних кількох років.