Miten hyödyntää piikarbidin tehomoduulien kaikki edut?

Pii on perinteisesti ollut tehopuolijohteiden tärkein materiaali, mutta viime aikoina piikarbidi (SiC) on noussut esiin vaihtoehtoisena materiaalivalintana, joka tarjoaa paremman suorituskyvyn korkealämpöisissä ja korkeajännitteisissä sovelluksissa.

SiC-tehomoduuleissa on korkeammat kytkentätaajuudet ja pienemmät häviöt pienempiä passiivisia suodatinkomponentteja varten, mikä mahdollistaa suuremman tehotiheyden järjestelmissä pienemmillä kustannuksilla.

Nopea kytkentä

Laajakaistaiset piikarbidipuolijohteet (SiC) voivat mullistaa tehomoduulien markkinat nopeammilla kytkentänopeuksilla, pienemmillä häviöillä ja pienemmillä sähkömagneettisilla häiriöillä (EMI). SiC-moduulien etujen täysimääräinen hyödyntäminen edellyttää kuitenkin asianmukaista lähestymistapaa niiden suunnittelussa ja kokoonpanossa - tässä on muutamia parhaita käytäntöjä, jotka voivat auttaa kehittäjiä voittamaan mahdolliset esteet ja hyödyntämään kaikki edut.

Nopeat SiC-tehotransistorit voivat vähentää järjestelmän jännitettä jopa 50%:llä ja tarjota samalla erinomaisen harmonisen suorituskyvyn, jolloin suunnittelijat voivat käyttää pienempiä passiivisia komponentteja ja lisätä tehotiheyttä. Kommutointi-induktanssi on edelleen yksi SiC-laitteisiin liittyvistä ensisijaisista haasteista; sen lieventämiseksi suunnittelijat saattavat haluta sisällyttää SiC-MOSFETit paketteihin, joissa loisinduktanssi on minimaalinen.

SEMITOP E1/E2 -tehomoduulialustassa on uusimmat sirusukupolvet eri topologioissa, kuten sixpack-, half-bridge- ja H-siltatopologioissa. Sen nastoitus on optimoitu helpottamaan piirilevysuunnittelua ja useiden tehomoduulien rinnakkaistamista samanaikaisesti, ja siinä on erittäin alhainen erityinen RDS(on)-lämpötilakerroin, joka mahdollistaa nopeat toimintanopeudet.

Piikarbiditehomoduulit ovat erinomainen valinta sovelluksiin, joissa tarvitaan suurempaa tehotiheyttä, luotettavuutta ja nopeampia kytkentänopeuksia. Niiden laaja lämpötila-alue ja korkea hyötysuhde tekevät niistä houkuttelevan vaihtoehdon niin moottorikäyttöihin kuin akkulatureihinkin; lisäksi ne kestävät suuria yliaaltovirtoja ja ovat lämpökäyttäytymiseltään parempia kuin perinteiset piitehopuolijohteet, mikä tuo merkittäviä kustannussäästöjä.

Monista eduistaan huolimatta suurnopeuskytkennän laajamittaiselle käyttöönotolle teollisissa sovelluksissa on vielä useita esteitä. Näitä ovat muun muassa vaikeudet testata ja mitata kytkimiä tarkasti, piirin loisvirrat, jotka voivat aiheuttaa jännitepiikkejä, EMI-määräysten noudattamatta jättäminen sekä tehovaiheiden erittäin monimutkaiset suunnittelu- ja integrointivaatimukset. Onneksi nämä ongelmat voidaan ratkaista useilla parhailla käytännöillä ja vapauttaa SiC-teknologian koko potentiaali suurnopeussovelluksissa.

Wolfspeedin LM Power Module Platform hyödyntää piikarbidin etuja vaativissa tehotiheyssovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen latureissa ja teollisuuden UPSeissa, kuten sen innovatiivisessa 62 mm:n moduulipaketissa, jossa SiC-kytkentäpuolijohteet yhdistyvät teollisuusstandardin mukaiseen pohjalevyyn, joka tuottaa 175 asteen jatkuvan liitoslämpötilan, ja jossa on luotettava Si3N4-tehonsubstraatti, joka takaa mekaanisen kestävyyden vaativissa ympäristöissä, sekä AlSiC-peruslevy, jonka liitoskohdan lämpöresistanssi on erittäin alhainen, vain 0.15degC/W kytkinasentoa kohti, mikä takaa parhaan mahdollisen lämmönkestävyyden ja mekaanisen kestävyyden ankarissa olosuhteissa.

Suuri tehotiheys

Vetovoimansiirrot muodostavat suuren osan sähköajoneuvon (EV) energiantuotosta, joten niiden on toimittava mahdollisimman tehokkaasti ja samalla niiden on vievä mahdollisimman vähän tilaa painon minimoimiseksi. Lisäksi kantaman maksimoimiseksi sen on tuotettava suuri teho pienestä tilasta; tähän tarvitaan inverttereitä, jotka muuntavat tehon suuremmilla kytkentätaajuuksilla ja pienemmillä häviöillä kuin perinteiset pii-IGBT:t.

Laajakaistalevyinen piikarbidi (WBG SiC) on optimaalinen materiaali näiden suorituskykytavoitteiden saavuttamiseksi. Perinteisiin Si-laitteisiin verrattuna WBG SiC -laitteet voivat toimia korkeammissa lämpötiloissa ja jännitteissä ilman piilaitteille tyypillisiä kytkentähäviöitä; lisäksi sen kytkentähäviöt ovat piitä pienemmät, mikä mahdollistaa korkeammat kytkentätaajuudet, jotka viime kädessä lisäävät hyötysuhdetta ja tehotiheyttä.

Tämän vuoksi tehonmuuntojärjestelmien suunnittelijat luottavat yhä enemmän piikarbidilaitteisiin (SiC). Niiden hyödyt ovat valtavat, mutta SiC:n käyttöön voi kuitenkin liittyä omat haasteensa; esimerkiksi sen korkea lämpötila ja tehotasot voivat aiheuttaa kohtuutonta rasitusta juotosliitoksille, mikä heikentää tehonvaihtokykyä merkittävästi. Vincotech on reagoinut tähän luomalla innovatiivisen sirujuottotekniikan, joka lieventää tällaisia rasituksia ja parantaa SiC-moduulien tehonvaihtokykyä.

SiC-moduuleilla on muita laitteita parempi lämmönjohtavuus, minkä ansiosta suunnittelijat voivat pienentää passiivisten suodatinkomponenttien kokoa ja lisätä tehotiheyttä samalla kun lämmönpoistotarve vähenee, mikä alentaa järjestelmän kokonaiskustannuksia.

SiC voi myös auttaa pienentämään tehomuuntimien painoa ja kokoa, koska sen jalanjälki on paljon pienempi kuin perinteisten piilaitteiden, mikä auttaa parantamaan järjestelmän tehokkuutta ja luotettavuutta samalla kun painoa ja kokoa vähennetään.

Sovelluksesta riippumatta tehomuuntimien valmistajien on varmistettava, että niiden moduulit täyttävät vaativat suorituskykyvaatimukset. Tähän kuuluu korkean kytkentätaajuuden ja alhaisen hajavirtainduktanssin saavuttaminen - nämä ovat olennaisia tekijöitä optimaalisen suorituskyvyn edellyttämien nopeiden reunanopeuksien ylläpitämiseksi. Onneksi Wolfspeedin kokonaan PiC:stä valmistetut 3,3 kV:n tehomoduulit täyttävät nämä tiukat standardit alan johtavien virranjako- ja porttiohjainten vahvuuksien ansiosta.

Korkea hyötysuhde

SiC-tehopuolijohteissa on huomattavasti pienemmät häviöt kuin piistä valmistetuissa puolijohteissa, mikä mahdollistaa korkeammat kytkentätaajuudet ja pienemmät passiiviset komponentit. Lisäksi SiC kestää äärimmäisiä lämpötiloja menettämättä suorituskykyään ajan myötä.

Näiden tekijöiden ansiosta suunnittelijat voivat rakentaa energiatehokkaampia, pienikokoisia ja kustannustehokkaita tehonmuuntojärjestelmiä, joissa käytetään SiC-moduuleja. Niiden kevyt mutta joustava rakenne on johtanut 20%:n painosäästöihin Japanin Shinkansen-junajärjestelmässä käytetyissä junavaunujen vetovoimavaihtosuuntaajissa. Samoin sähköautojen ja rautateiden akkulatureiden latureissa voidaan hyödyntää SiC:n lisääntynyttä tehokkuutta ja suorituskykyä.

SiC:n ohuempi materiaali vähentää myös kommutointi-induktanssia, mikä mahdollistaa nopeammat kytkentänopeudet, jotka johtavat pienempiin magneettisuodattimen komponenttikokoihin ja suurempaan tehotiheyteen. Korkeampi kytkentätaajuus alentaa myös ripple-jännitettä lyhyempien takaisinkytkentäsilmukoiden ja pienemmän EMI-tason vuoksi; sen pienemmät kytkentähäviöt vähentävät tehohäviöitä entisestään ja lisäävät samalla lämpötilavakautta.

Wolfspeed tarjoaa laajan valikoiman piikarbidimoduuleja, jotka täyttävät erilaisten sovellusten vaatimukset, mukaan lukien AC-DC-tehokertoimen korjausmoduulit, buck/boost DC/DC -moduulit, kaksisuuntaiset AC/DC-moduulit ja korkeataajuiset DC/DC-moduulit, jotka auttavat suunnittelijoita hyödyntämään moduulin edut. Wolfspeedin valikoimaan kuuluu myös referenssisuunnitelmia ja arviointityökalupaketteja suunnitteluprosessin avuksi.

SiC on houkutteleva valinta, mutta sen täyden tehopotentiaalin hyödyntäminen edellyttää tiettyjen mekaanisten ominaisuuksien huomioimista. Näihin haasteisiin kuuluvat lämpöjännitys, korkeat käyttölämpötilat ja rajoitettu tehonvaihtokyky - Vincotechin kehittynyt die-attach-tekniikka tarjoaa kuitenkin ratkaisuja näiden ongelmien ratkaisemiseen lieventämällä juotosliitosten rasitusta - SiC-tehomoduulien heikkoa lenkkiä.

Yrityksen teknologia hyödyntää patentoitua juotosseosta, jolla varmistetaan, että tehomoduulit kestävät pitkäaikaista lämpörasitusta ilman piikiekkojen vaurioitumista, mikä lisää syklin käyttöikää ja vähentää vikaantumisriskiä vaativissa lääketieteellisissä virtalähdesovelluksissa. Lisäksi tämä edistyksellinen teknologia vahvistaa SiC-sirujen ja metallisubstraattien välistä sidosta, mikä lisää edelleen SiC-sirujen syklikykyä.

Kestävyys

Piikarbidi (SiC), joka on laajan kaistanleveyden omaava puolijohdemateriaali, voi tarjota lukuisia etuja tehonmuuntosovelluksissa. Näihin etuihin voivat kuulua parempi hyötysuhde, alhaisemmat kustannukset ja pienempi koko - mutta näiden potentiaalisten etujen toteuttaminen edellyttää kuitenkin erilaisten teknisten suunnitteluesteiden voittamista.

SiC-tehomoduuleihin liittyy lisähaaste, kun on kyse niiden tehosyklikyvyn parantamisesta. Virranvaihtotesteissä simuloidaan todellisia tapahtumia, jotka rasittavat laitteiden sisäisiä mekanismeja ja materiaaleja. Teollisuus käyttää tehosyklitestejä vertailukohtana niiden suorituskyvylle erilaisissa olosuhteissa; näiden testien suorittamiseksi vaihtovirtatestilaite syöttää laitteisiin korkeajännitteistä vaihtovirtaa, joka aiheuttaa dissipatiivisia tapahtumia, jotka nostavat lämpötilaa merkittävästi; korkeammat lämpötilat vaativat suuremman energiamäärän, jotta ne voivat siirtyä estotilasta johtavaan tilaan.

Lisääntynyt kytkentäenergia johtaa lämmöntuottoon, mikä lyhentää laitteen käyttöikää ja lisää oikosulun tai lumivyöryn aiheuttaman rikkoutumisen riskiä. Tällaisissa olosuhteissa voi esiintyä SC-virheitä tai lumivyöryn purkautumista, jolloin nämä laitteet eivät toimi ja lopulta menevät kokonaan epäkuntoon.

Perinteisiin ratkaisuihin on kuulunut lisäkomponenttien lisääminen virtapiireihin laitteiden suojaamiseksi, mutta tämä lisää tehomuuntimien kokonaiskustannuksia ja monimutkaisuutta. Tämän seurauksena Danfoss on kehittänyt uuden innovatiivisen Bond Buffer -liitostekniikan, joka ratkaisee nämä ongelmat tehokkaasti.

Tässä patentoidussa tekniikassa käytetään kuparilankaliimausta ja sintrattua kuoren kiinnitystä korvaamaan juotosliitokset moduuleissa, jolloin ne voivat toimia korkeammissa maksimiliitoslämpötiloissa ilman virran heikkenemistä sekä parantaa luotettavuutta ja laajentaa virranvaihtokykyä.

Vincotechin SiC-moduulialustassa yhdistyvät piikarbidi-MOSFETien nopeus ja tehokkuus sekä alan standardin mukainen 62 mm:n pakkaus, joka tarjoaa käyttäjälle maksimaalisen hyödyn matalan induktanssin sovelluksissa, kuten teollisuusmoottorikäytöissä, sähköautojen latureissa tai akkukäyttöisissä sovelluksissa.

Vincotechin SiC-moduulit osoittivat ylivoimaista tehonvaihtokykyä verrattuna kilpaileviin tuotteisiin, joissa käytettiin perinteistä juotosseosta. Tämä parannus johtuu sen paremmasta kyvystä absorboida ja haihduttaa lämpöenergiaa tehokkaasti.