Động lực cho sự phát triển của các sản phẩm và công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử công suất đến từ nhu cầu ngày càng tăng của thị trường&# 39 về mật độ điện năng cao hơn, tích hợp hệ thống lớn hơn, độ bền chắc và độ tin cậy cao hơn. Đồng thời, nhu cầu thị trường đối với các sản phẩm giá rẻ, giao diện tiêu chuẩn hóa, khả năng mở rộng linh hoạt và tính mô đun. Trong vài năm qua, trọng tâm của lĩnh vực điện tử công suất chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu, phát triển và nâng cấp các mạch tích hợp công suất cao mới được định vị tại các thị trường mục tiêu cụ thể. Điều này không chỉ dẫn đến việc sản xuất các mô-đun IGBT tiêu chuẩn, mà còn một số loại mô-đun đặc biệt được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu cụ thể của khách hàng. Các mô-đun loạt tổn thất thấp được tối ưu hóa để giảm sụt áp trên trạng thái. Tuy nhiên, do tổn hao chuyển mạch rất cao, nên việc sử dụng loại môđun này trong các ứng dụng có tần số chuyển mạch thấp hơn chỉ có ý nghĩa. Tương ứng với điều này, ngành công nghiệp cũng đã phát triển các mô-đun cực nhanh được sử dụng trong lĩnh vực tần số chuyển mạch cao. Do dòng đuôi nhỏ, các mô-đun IGBT này lý tưởng cho các bộ chuyển đổi chuyển mạch cộng hưởng. Ngoài ra, thế hệ mô-đun tích hợp nguồn mới có mật độ và hiệu suất sử dụng điện cao hơn mà không làm thay đổi khối lượng mô-đun. Các IGBT rãnh mới và IGBT đột lỗ mềm là trọng tâm của nghiên cứu và phát triển trong tương lai theo hướng này, do đó tăng thêm phạm vi các tùy chọn mô-đun có sẵn. Mật độ hiện tại của mô-đun bao gồm thế hệ IGBT mới nhất và điốt tự do điều khiển sóng mang dọc trục đạt 200A / cm2 (Hình 1). Mật độ dòng điện cao như vậy làm cho kích thước gói hiện có hiệu quả hơn, có nghĩa là, diện tích chip được yêu cầu bởi mức hiện tại sẽ giảm dần. Ví dụ, vào năm 1999, dòng điện định mức mô-đun bán cầu 1200V lớn nhất của SEMIKRON&# 39 là 400A, nhưng ngày nay gói tương tự có thể cung cấp dòng điện 600A. Do sự cải thiện liên tục của mật độ nguồn, các nhà sản xuất và người sử dụng mô-đun nguồn thường phải đối mặt với những thách thức mới.
Hình 1 Sự phát triển của mật độ dòng điện
Trong một khoảng thời gian, khối lượng của bộ chuyển đổi điện năng không còn phụ thuộc vào kích thước của mô-đun bán dẫn công suất, mà bởi các thành phần thụ động như tụ điện, cuộn cảm và bộ lọc. Hiện tượng này đặc biệt đúng đối với các ổ đĩa tiêu thụ điện năng thấp, có thể thấy từ báo cáo nghiên cứu của (1) ECPE (Trung tâm Điện tử Công suất Châu Âu). Đối với các ổ đĩa hiện đại dưới 2,2kW, gói mô-đun bán dẫn công suất chỉ chiếm 6% khối lượng toàn bộ thiết bị, gần tương đương với khối lượng chiếm dụng của thiết bị đầu cuối cáp. Ngân hàng tụ điện liên kết DC chiếm khoảng 12% khối lượng, là hai trong số các thiết bị nguồn. Thành phần chiếm không gian lớn nhất là bảng mạch điều khiển (khoảng 23% thể tích), vì nó không chỉ chứa bộ truyền động và mạch điều khiển mà còn chứa bộ cấp nguồn và bộ lọc EMI (Hình 2). Xu hướng như vậy cũng đang mở rộng sang các hệ thống chuyển đổi công suất cao. Các thiết bị điện tử công suất ngày càng trở nên nhỏ hơn, nhưng khối lượng của các thành phần thụ động, dây cáp và thiết bị đầu cuối mạch chính về cơ bản không thay đổi.
Hình 2 So sánh các thành phần / khối lượng khác nhau trên ổ đĩa 2,2kW hiện đại
Ngày nay, kích thước của các thiết bị điện không còn phụ thuộc vào diện tích chiếm dụng bởi chip bán dẫn mà phụ thuộc vào các cực mạch chính. Do đó, người ta kỳ vọng giảm khối lượng mô-đun điện tử công suất để giảm chi phí và đạt được mức độ tương tự như giảm kích thước chip là không thực tế. Hơn nữa, khi có rung động, tiết diện cáp lớn và thanh cái DC sẽ gây ra ứng suất tương đối lớn cho mô-đun, và những yếu tố này thậm chí có thể có ảnh hưởng tiêu cực đến độ tin cậy của các thành phần kết nối. Do đó, các thành phần giảm ứng suất và các thành phần tăng cường cơ học bổ sung cho các liên kết mạch DC cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế bộ chuyển đổi nguồn. Mật độ công suất ngày càng tăng trong các module bán dẫn ngày càng gây ra nhiều vấn đề về tản nhiệt cho người dùng. Khi nguồn điện vẫn giữ nguyên, âm lượng mô-đun ngày càng nhỏ và giá trị tổn thất điện năng của mô-đun công suất khối lượng đơn vị tăng dần, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với bộ tản nhiệt. Trong hệ thống làm mát bằng không khí cưỡng bức, vì độ tin cậy, thường không sử dụng công suất tối đa của mô-đun, vì chúng tôi không khuyến nghị người dùng tăng nhiệt độ của bộ tản nhiệt. Vì vậy, để sử dụng tốt nhất bộ tản nhiệt, cần phân tán nguồn nhiệt để tránh các điểm nóng. Bằng cách ra mắt mô-đun SEMiX®, SEMIKRON đã đề xuất một điểm chuẩn mới sử dụng mô-đun nửa cầu đơn thay vì mô-đun gói sáu ống tích hợp trong các thành phần nguồn. Khi sử dụng làm mát bằng không khí cưỡng bức, các mô-đun có thể được lắp đặt cách nhau. Do hiệu ứng dẫn nhiệt tương ứng, nhiệt độ của chất nền mô-đun thấp hơn nhiều, có thể làm tăng công suất đầu ra. Hình 3 cho thấy tác dụng tích cực của quá trình truyền nhiệt. Trong ví dụ này, nếu các mô-đun được lắp đặt trên bộ tản nhiệt cách nhau, nhiệt độ tối đa của bộ tản nhiệt sẽ giảm từ 96 ° C xuống 91 ° C. Tất nhiên, mô-đun nửa cầu cũng có thể được thay thế bằng mô-đun gói sáu ống tích hợp. Trong trường hợp này, nếu sử dụng làm mát bằng nước, có thể đạt được giải pháp nhỏ gọn với mật độ công suất cao hơn.
Trong một thời gian, một số người đã tập trung nghiên cứu phát triển các công nghệ gắn kết và kết nối mới để thích ứng với việc sử dụng chip mới với mật độ dòng điện ngày càng tăng. Cho đến nay, không có công nghệ đơn lẻ nào thành công hoàn toàn do những hạn chế về độ tin cậy và tính linh hoạt. Ngoài ra, sự phát triển của các công nghệ kết nối mới cũng được thúc đẩy bởi sự tích hợp lớn hơn (mạch truyền động và các thành phần thụ động) và công nghệ tản nhiệt hai mặt cho các chip mô-đun. Do việc sử dụng các bảng mạch nhiều lớp, các thiết bị kim loại hóa, các gói hàn và thậm chí cả các bảng mạch cong (2) đã đạt được tiến bộ lớn trong công nghệ kết nối. Việc sử dụng các công nghệ tích hợp cao này trong các mô-đun điện tử công suất thương mại chỉ là vấn đề thời gian. Phát triển nền tảng sản phẩm Bên cạnh những thách thức kỹ thuật nêu trên, nền tảng sản phẩm trong lĩnh vực điện tử công suất cũng ngày càng đóng vai trò quan trọng. Cái gọi là phát triển nền tảng sản phẩm ở đây đề cập đến việc phát triển các mô-đun cơ bản, là nền tảng để phát triển hoặc thiết kế các chuỗi sản phẩm khác nhau. Ví dụ, khi chúng ta nhìn thấy các thành phần động cơ và khung gầm giống nhau trên các mẫu xe khác nhau của cùng một nhà sản xuất, có thể nói rằng ngành công nghiệp ô tô là tiền thân của" nền tảng sản phẩm" Ý tưởng. Các khách hàng của chúng tôi cũng đang thực hiện chiến lược tương tự trong quá trình phát triển và sản xuất bộ chuyển đổi, nhưng vấn đề là hoạt động phát triển của họ chưa nhận được sự hỗ trợ đầy đủ từ các nhà sản xuất chất bán dẫn. Trong các module bán dẫn hiện đang bán trên thị trường, có quá nhiều điểm không nhất quán về mẫu mã và công nghệ kết nối khác nhau. Kết quả là khách hàng khó có thể sản xuất các loạt bộ chuyển đổi khác nhau với hiệu suất nhất quán dựa trên các thành phần và mô-đun tiêu chuẩn. Do sự ra mắt của nền tảng sản phẩm SEMiX®, SEMIKRON cam kết cung cấp giải pháp cho các mô-đun trong phạm vi 15-150kW. Hình 4 minh họa khái niệm về nền tảng sản phẩm SEMiX®. Dựa trên mô-đun cơ bản, các phiên bản mô-đun khác nhau có thể được sản xuất cho các dải công suất khác nhau, cấu trúc liên kết, mức độ tích hợp và các hình thức đóng gói khác nhau, để đáp ứng kịp thời nhu cầu của người dùng cụ thể.
Đối với các mức hiện tại và cấu trúc tôpô khác nhau, bản thân mô-đun cơ bản có bốn kiểu đóng gói mô-đun khác nhau. Tuy nhiên, bốn gói này dựa trên cùng một nền tảng thành phần bên trong, có nghĩa là giao diện giữa liên kết DC và mạch truyền động nhất quán trên toàn bộ dải công suất. Việc ra mắt SEMiX cho phép chúng tôi tích trữ mô-đun sản phẩm tiêu chuẩn tiền sản xuất này, để có thể nhanh chóng sản xuất và phân phối các sản phẩm tùy chỉnh. Đối với các nhà thiết kế bộ chuyển đổi, điều này có nghĩa là việc đo công suất và chức năng của các thành phần mô-đun đơn giản hơn, và nó cũng có thể làm giảm sự phức tạp của quá trình phát triển và thời gian. Trên cơ sở này, để đáp ứng cấu trúc liên kết tùy chỉnh của khách hàng&# 39 và nhận ra sự mở rộng liên tục của loạt sản phẩm của khách hàng' Nhu cầu thị trường hơn nữa là kết nối tối ưu hóa của các thiết bị ngoại vi mô-đun nguồn. Nó bao gồm các đầu cuối mạch chính ngắn và có thể thích ứng và kết nối của mạch tích hợp ổ đĩa. Lần đầu tiên, nền tảng SEMiX đã cài đặt mạch truyền động trực tiếp trên mô-đun nguồn, điều này làm cho đường dẫn kết nối rất ngắn. Kết luận Do công nghệ chip tuyệt vời, mật độ hiện tại của chất bán dẫn công suất hiện đại đã tăng khoảng 50% so với chất bán dẫn công suất trong vài năm qua. Sự phát triển này trực tiếp đặt ra các yêu cầu về công nghệ kết nối và tích hợp linh kiện trong các mô-đun bán dẫn công suất, cũng như các yêu cầu về tản nhiệt của thiết bị. Đối với hệ thống làm mát không khí cưỡng bức, các yếu tố hạn chế khác nhau không có lợi cho việc giảm chi phí đã được khắc phục. Có tính đến các chỉ số kỹ thuật như suy hao dẫn chuyển tiếp tối ưu và tần số chuyển mạch cao, nhiều công nghệ chip hiện có có những ưu điểm tương ứng với các ứng dụng cụ thể. Với việc ra mắt loạt mô-đun mới của SEMIX' SEMIKRON có thể cung cấp một loạt các sản phẩm mô-đun có thể hiện thực hóa các giải pháp dành riêng cho khách hàng. Dòng sản phẩm SEMIX sẽ liên tục được bổ sung và mở rộng trong vài năm tới.