Jõuelektroonika valdkonnas uute toodete ja tehnoloogiate väljatöötamise liikumapanev jõud tuleneb turu&# 39 kasvavast nõudlusest suurema võimsustiheduse, suurema süsteemiintegratsiooni, vastupidavuse ja suurema töökindluse järele. Samal ajal nõuab turg odavate toodete, standardiseeritud liideste, paindliku mastaapsuse ja modulaarsuse järele. Viimastel aastatel on jõuelektroonika valdkonna fookuses olnud peamiselt konkreetsetel sihtturgudel paiknevate uute võimsate integreeritud vooluringide uurimine, arendamine ja täiendamine. See viis mitte ainult standardsete IGBT-moodulite tootmiseni, vaid ka teatud tüüpi moodulitena, mis on optimeeritud vastavalt konkreetsetele kliendi vajadustele. Madala kaduga seeria moodulid on optimeeritud olekus pingelanguse vähendamiseks. Kuid väga suure lülituskadude tõttu on seda tüüpi mooduleid mõttekas kasutada ainult madalama lülitussagedusega rakendustes. Sellele vastavalt on tööstus välja töötanud ka ülikiired moodulid, mida kasutatakse kõrgete lülitussageduste valdkonnas. Väikese sabavoolu tõttu on need IGBT moodulid ideaalsed resonantslülitite muundurite jaoks. Lisaks on uue põlvkonna toitel integreeritud moodulitel suurem võimsustihedus ja efektiivsus ilma mooduli mahtu muutmata. Uued kaeviku IGBT-d ja pehmed läbilaskvad IGBT-d on tulevase sellesuunalise uurimis- ja arendustegevuse keskmes, suurendades seeläbi olemasolevate moodulivalikute valikut. Uusima põlvkonna kraavist IGBT-dest ja aksiaalsete kandurite eluaegsete juhtimisvabadega dioodidest koosneva mooduli voolutihedus ulatub 200A / cm2 (joonis 1). Nii suur voolutihedus muudab olemasoleva pakendi suuruse efektiivsemaks, see tähendab, et olemasoleva praeguse taseme jaoks vajalik kiibi pindala järk-järgult väheneb. Näiteks 1999. aastal oli SEMIKRON' suurim 1200 V poolsilla mooduli nimivool 400A, kuid täna suudab sama pakett anda 600A voolu. Voolutiheduse pideva paranemise tõttu seisavad tootjad ja toitemoodulite kasutajad sageli silmitsi uute väljakutsetega.
Joonis 1 Voolutiheduse areng
Teatud aja jooksul ei sõltu muundurite maht enam toite pooljuhtmoodulite suurusest, vaid passiivsetest komponentidest nagu kondensaatorid, induktiivpoolid ja filtrid. See nähtus kehtib eriti väikese võimsusega ajamite kohta, mida võib näha (1) ECPE (Euroopa jõuelektroonika keskus) uurimisaruandest. Kaasaegsete ajamite puhul, mille võimsus on alla 2,2 kW, moodustab pooljuhtmoodulite pakett ainult 6% kogu seadme mahust, mis on ligikaudu samaväärne kaabelterminali hõivatud helitugevusega. Alalisvooluühenduse kondensaatori pangakonto moodustab umbes 12% mahust, mis on kaks elektriseadet. Suurima ruumi hõivav komponent on juhtimisplaat (umbes 23% mahust), kuna see sisaldab lisaks ajami- ja juhtimisahelatele ka toiteallikat ja EMI-filtreid (joonis 2). Selline suundumus laieneb ka suure võimsusega muundussüsteemidele. Jõuelektroonikaseadmed muutuvad järjest väiksemaks, kuid passiivsete komponentide, kaablite ja peaahelate terminalide maht on põhimõtteliselt muutumatu.
Joonis 2 Kaasaegse 2,2kW draivi erinevate komponentide / mahtude võrdlus
Tänapäeval ei sõltu elektriseadmete suurus enam pooljuhtkiipide hõivatud alast, vaid peaahelate klemmidest. Seetõttu on ebareaalne, kui inimesed eeldavad, et vähendavad elektriliste elektrimoodulite mahtu, et vähendada kulusid ja saavutada samal määral kui kiibi suuruse vähendamine. Veelgi enam, vibratsiooni korral põhjustavad suured kaabli ristlõiked ja alalisvoolu siinid moodulile suhteliselt suurt pinget ja neil teguritel võib olla isegi negatiivne mõju ühenduskomponentide töökindlusele. Seetõttu on alalisvooluahela lülide pinget maandavatel komponentidel ja täiendavatel mehaanilistel tugevduskomponentidel oluline roll ka muundurite kujundamisel. Pooljuhtmoodulite pidevalt suurenev võimsustihedus tekitab kasutajatele üha rohkem probleeme soojuse hajutamisel. Kui võimsus jääb samaks, muutub mooduli maht järjest väiksemaks ja seadme mahu võimsusmooduli võimsuskadu väärtus järk-järgult suureneb, mis seab radiaatorile kõrgemad nõuded. Sundõhkjahutussüsteemis on töökindluse tõttu tõenäoliselt ebatõenäoline mooduli maksimaalse võimsuse kasutamine, sest me ei soovita kasutajatel radiaatori temperatuuri tõsta. Seetõttu on radiaatori parimal viisil kasutamiseks vajalik kuumade kohtade vältimiseks soojusallikas hajutada. SEMiX® mooduli käivitamisega on SEMIKRON pakkunud välja uue võrdlusaluse, mis kasutab toiteosades integreeritud kuue toruga pakettmooduli asemel ühte poolsilla moodulit. Kui kasutatakse sundõhu jahutamist, saab mooduleid paigaldada intervallidega. Vastava soojusjuhtivusefekti tõttu on mooduli aluspinna temperatuur palju madalam, mis võib suurendada väljundvõimsust. Joonisel 3 on kujutatud soojusülekande positiivset mõju. Selles näites, kui moodulid paigaldatakse jahutusradiaatorile vahedega, vähendatakse jahutusradiaatori maksimaalset temperatuuri 96 ° C-lt 91 ° C-ni. Muidugi saab poolsilla mooduli asendada ka integreeritud kuue toruga pakettmooduliga. Sellisel juhul on vesijahutuse kasutamisel võimalik saavutada suurema võimsustihedusega kompaktne lahendus.
Mõni aeg on mõned inimesed keskendunud oma uurimistöös uute paigaldus- ja ühendamistehnoloogiate väljatöötamisele, et kohaneda suureneva voolutihedusega uute kiipide kasutamisega. Siiani pole ükski tehnoloogia olnud usaldusväärsuse ja paindlikkuse piiratuse tõttu täiesti edukas. Lisaks ajendab uute ühendustehnoloogiate väljatöötamist ka suurem integreerimine (ajamiahelad ja passiivkomponendid) ning moodulikiipide kahepoolne soojuse hajutamise tehnoloogia. Mitmekihiliste trükkplaatide, metalliseeritud seadmete, jootekomplektide ja isegi kõverate trükkplaatide (2) kasutamise tõttu on ühendustehnoloogias tehtud suuri edusamme. Nende kõrgelt integreeritud tehnoloogiate kasutamine ärilistes elektroonilistes moodulites on ainult aja küsimus. Tooteplatvormide väljatöötamine Lisaks ülalnimetatud tehnilistele väljakutsetele on üha olulisem roll ka toitelektroonika valdkonna tooteplatvormidel. Nn tooteplatvormi arendamine viitab siin põhimoodulite väljatöötamisele, mis on platvormid erinevate tooteseeriate väljatöötamiseks või kujundamiseks. Näiteks kui näeme sama tootja erinevatel automudelitel samu automootoreid ja šassiikomponente, võib öelda, et autotööstus on selle&"tooteplatvormi &" eelkäija; kontseptsioon. Meie kliendid rakendavad sama strateegiat ka muundurite väljatöötamise ja tootmise ajal, kuid probleem on selles, et nende arendustegevused pole saanud pooljuhtide tootjatelt piisavalt tuge. Praegu turul müüdavates pooljuhtmoodulites on erinevates mudelites ja ühendamistehnoloogiates liiga palju vastuolusid. Tulemuseks on see, et klientidel on keeruline standardkomponentidel ja moodulitel põhinevaid erinevaid, ühtlase jõudlusega muundurisarju toota. Tänu SEMiX® tooteplatvormi turule toomisele on SEMIKRON pühendunud pakkuma lahendust moodulitele vahemikus 15-150 kW. Joonis 4 illustreerib SEMiX® tooteplatvormi kontseptsiooni. Põhimoodulist lähtuvalt saab toota erinevaid mooduliversioone erinevatele võimsusvahemikele, topoloogiatele, integreerimistasanditele ja erinevatele pakendivormidele, et vastata konkreetsete kasutajate õigeaegselt vajadustele.
Erinevate praeguste tasemete ja topoloogiliste struktuuride jaoks on põhimoodulil endal neli erinevat tüüpi moodulipakendeid. Kuid need neli paketti põhinevad samal sisekomponendi platvormil, mis tähendab, et alalisvoolulingi ja ajamiahela vaheline liides on kogu võimsusalas ühtlane. SEMiXi turule toomine võimaldab meil varuda seda tootmiseelset standardtootemoodulit, et kohandatud tooteid saaks kiiresti toota ja tarnida. Muundurite disainerite jaoks tähendab see, et mooduli komponentide võimsuse ja funktsioonide mõõtmine on lihtsam ning see võib vähendada ka arendusprotsessi keerukust ja selle aega. Selle põhjal vastaksime kliendi' s kohandatud topoloogiale ja mõistaksime kliendi' seeria pidevat laiendamist. Edasine turunõudlus on toitemoodulite välisseadmete optimeeritud ühendamine. See sisaldab lühikesi ja kohandatavaid peaahelaklemme ning ajami integraallülituse ühendamist. Esimest korda paigaldas SEMiX platvorm ajamilülituse otse toitemoodulile, mis muutis ühendustee väga lühikeseks. Kokkuvõte Tänu suurepärasele kiibitehnoloogiale on tänapäevaste elektriliste pooljuhtide voolutihedus kasvanud umbes 50% võrreldes viimaste aastate võimsuse pooljuhtidega. See areng tõstab otseselt komponentide integreerimise ja ühendamise tehnoloogia nõudeid pooljuhi moodulites, samuti nõudeid seadme soojuse hajutamiseks. Sundõhkjahutussüsteemide puhul on ületatud erinevad piiravad tegurid, mis ei soodusta kulude vähendamist. Võttes arvesse selliseid tehnilisi näitajaid nagu optimaalne juhtivuse kadu ja kõrge lülitussagedus, on paljudel olemasolevatel kiibitehnoloogiatel eelised, mis vastavad konkreetsetele rakendustele. SEMIX' uue mooduliseeria turule toomisega saab SEMIKRON pakkuda laia valikut moodultooteid, mis suudavad realiseerida kliendispetsiifilisi lahendusi. SEMIX tooteseeriat täiendatakse ja laiendatakse lähiaastatel pidevalt.