Kā pilnībā izmantot silīcija karbīda barošanas moduļu priekšrocības

Silīcijs tradicionāli ir izejmateriāls jaudas pusvadītājiem, taču pēdējā laikā silīcija karbīds (SiC) ir kļuvis par alternatīvu materiālu izvēli, kas nodrošina labāku veiktspēju augsta siltuma un augstsprieguma lietojumiem.

SiC barošanas moduļiem ir augstākas komutācijas frekvences ar samazinātiem zudumiem kompaktākiem pasīvo filtru komponentiem, tādējādi nodrošinot lielāku jaudas blīvumu sistēmās ar zemākām izmaksām.

Ātra pārslēgšana

Platjoslas silīcija karbīda (SiC) strāvas pusvadītāji varētu revolucionizēt strāvas moduļu tirgu, nodrošinot lielāku pārslēgšanās ātrumu, mazākus zudumus un mazākus elektromagnētiskos traucējumus (EMI). Taču, lai pilnībā izmantotu SiC moduļu priekšrocības, to projektēšanā un montāžā ir jāizmanto atbilstoša pieeja - šeit ir sniegti daži paraugprakses piemēri, kas izstrādātājiem var palīdzēt pārvarēt visus šķēršļus un pilnībā izmantot to priekšrocības.

Ātrgaitas SiC strāvas tranzistori spēj samazināt sistēmas spriegumu līdz pat 50%, vienlaikus piedāvājot izcilu harmonisko veiktspēju, kas ļauj projektētājiem izmantot mazākus pasīvos komponentus un palielināt jaudas blīvumu. Komutācijas induktivitāte joprojām ir viena no galvenajām ar SiC ierīcēm saistītajām problēmām; lai to mazinātu, projektētāji var vēlēties ievietot SiC MOSFET moduļus iepakojumos ar minimālu parazītisko induktivitāti.

SEMITOP E1/E2 barošanas moduļu platformā ir jaunākās mikroshēmu paaudzes dažādās topoloģijās, piemēram, sešpaketes, pusmiltu un H-miltu topoloģijas. Tās adatu izkārtojums ir optimizēts, lai atvieglotu PCB projektēšanu un vairāku strāvas moduļu paralēlu savienošanu vienlaicīgi, un tai ir īpaši zems īpatnējais temperatūras koeficients RDS(on), kas nodrošina lielu darbības ātrumu.

Silīcija karbīda barošanas moduļi ir lieliska izvēle lietojumiem, kam nepieciešams lielāks jaudas blīvums, uzticamība un lielāks pārslēgšanās ātrums. To plašais temperatūras diapazons un augstā efektivitāte padara tos par pievilcīgu risinājumu gan motoru piedziņām, gan akumulatoru lādētājiem; turklāt tie spēj izturēt lielus straujstrāvas triecienstrāvas triecienus, vienlaikus piedāvājot labāku termisko uzvedību salīdzinājumā ar parastajiem silīcija jaudas pusvadītājiem, kas ļauj ievērojami ietaupīt izmaksas.

Pat ņemot vērā daudzās priekšrocības, ātrgaitas komutācijai joprojām ir vairāki šķēršļi, kas kavē tās plašu ieviešanu rūpnieciskos lietojumos. Tie ir, piemēram, grūtības precīzi testēt un mērīt slēdžus, parazītiskie elementi, kas var izraisīt sprieguma kāpumus, neatbilstība EMI noteikumiem, kā arī ļoti sarežģītas jaudas pakāpju projektēšanas un integrācijas prasības. Par laimi, vairākas labākās prakses var atrisināt šīs problēmas un pilnībā izmantot SiC tehnoloģijas potenciālu ātrdarbīgos lietojumos.

Wolfspeed LM barošanas moduļu platforma izmanto silīcija karbīda priekšrocības, kas saistītas ar tādiem sarežģītiem enerģijas blīvuma lietojumiem kā elektrisko transportlīdzekļu lādētāji un rūpnieciskie UPS, piemēram, inovatīvā 62 mm moduļa pakete, kurā apvienoti SiC komutācijas pusvadītāji ar nozares standarta pamatplāksni, lai nodrošinātu 175 grādu temperatūru nepārtrauktā savienojuma darbībā, un kurā ir drošs Si3N4 barošanas substrāts, kas garantē mehānisku izturību pret skarbām vides vidēm, kā arī AlSiC pamatplāksne ar ārkārtīgi zemu savienojuma un šķidruma termisko pretestību 0.15degC/W katrā slēdža pozīcijā, lai nodrošinātu maksimālu termisko pretestību un mehānisko izturību skarbos apstākļos.

Augsts jaudas blīvums

Vilces piedziņa nodrošina lielu daļu no elektriskā transportlīdzekļa (EV) saražotās enerģijas, tāpēc tai jādarbojas maksimāli efektīvi, vienlaikus aizņemot minimālu vietu, lai samazinātu svaru. Turklāt, lai maksimāli palielinātu nobraukumu, ir jāģenerē liela izejas jauda no nelielas vietas; lai to panāktu, ir nepieciešami invertori, kas pārveido enerģiju ar augstākām pārslēgšanās frekvencēm un mazākiem zudumiem nekā tradicionālie silīcija IGBT.

Platjoslas silīcija karbīds (WBG SiC) ir optimāls materiāls, lai sasniegtu šos mērķus. Salīdzinot ar parastajām Si ierīcēm, WBG SiC ierīces var darboties augstākās temperatūrās un pie augstākiem spriegumiem, neradot pārslēgšanās zudumus, kā tas ir silīcija ierīcēs; turklāt tās var lepoties ar zemākiem pārslēgšanās zudumiem nekā silīcijs, kas ļauj sasniegt augstākas pārslēgšanās frekvences, kas galu galā palielina efektivitāti un jaudas blīvumu.

Tāpēc enerģijas pārveidošanas sistēmu projektētāji arvien vairāk izmanto silīcija karbīda (SiC) ierīces. To priekšrocības ir plašas, tomēr SiC izmantošana var radīt virkni problēmu, piemēram, tā augstā temperatūra un jaudas līmeņi var radīt pārmērīgu slodzi lodēšanas savienojumiem, kas ievērojami samazina jaudas cikliskuma iespējas. Vincotech ir reaģējusi, radot inovatīvu mikroshēmu lodēšanas tehnoloģiju, kas mazina šādu spriegumu, lai uzlabotu SiC moduļu jaudas cikliskuma spējas.

SiC moduļi salīdzinājumā ar citām ierīcēm izceļas ar labāku siltumvadītspēju, kas ļauj projektētājiem samazināt pasīvo filtru komponenšu izmērus, lai panāktu lielāku jaudas blīvumu, vienlaikus samazinot siltuma izkliedēšanas vajadzības, tādējādi samazinot kopējās sistēmas izmaksas.

SiC var arī palīdzēt samazināt jaudas pārveidotāju svaru un izmērus, jo tas ir daudz mazāks nekā tradicionālās silīcija ierīces, palīdzot uzlabot sistēmas efektivitāti un uzticamību, vienlaikus samazinot svaru un izmērus.

Neatkarīgi no pielietojuma enerģijas pārveidotāju ražotājiem ir jānodrošina, lai to moduļi atbilstu augstiem veiktspējas kritērijiem. Tas ietver augstu pārslēgšanās frekvenci un zemu klaiņojošās induktivitātes līmeni - būtiskus elementus, lai uzturētu optimālai veiktspējai vajadzīgo ātrdarbību. Par laimi, Wolfspeed pilnībā XiC 3,3 kV strāvas moduļi atbilst šiem stingrajiem standartiem, pateicoties nozarē vadošajiem strāvas sadalīšanas un vārtu draivera parametriem.

Augsta efektivitāte

Platjoslas SiC strāvas pusvadītāji var lepoties ar ievērojami mazākiem zudumiem salīdzinājumā ar silīcija pusvadītājiem, kas ļauj izmantot augstākas komutācijas frekvences un mazākus pasīvos komponentus. Turklāt SiC spēj izturēt ekstremālas temperatūras, laika gaitā nezaudējot veiktspēju.

Šie faktori ļauj projektētājiem veidot energoefektīvākas, kompaktākas un rentablākas enerģijas pārveidošanas sistēmas, izmantojot SiC moduļus. Pateicoties to vieglajai, bet elastīgajai konstrukcijai, ir izdevies samazināt dzelzceļa vagonu vilces invertoru, ko izmanto Japānas vilcienu sistēmā Shinkansen, svaru par 20%; līdzīgi arī elektromobiļu lādētāji un dzelzceļa akumulatoru lādētāji var izmantot SiC paaugstinātas efektivitātes un veiktspējas priekšrocības.

SiC plānāks materiāls arī samazina komutācijas induktivitāti, nodrošinot lielākus komutācijas ātrumus, kā rezultātā samazinās magnētisko filtru komponentu izmēri un palielinās jaudas blīvums. Augstāka komutācijas frekvence arī samazina pulsācijas spriegumu, lai nodrošinātu īsākas atgriezeniskās saites cilpas ar samazinātu elektromagnētiskās interferences līmeni; tās samazinātie komutācijas zudumi vēl vairāk samazina jaudas zudumus, vienlaikus palielinot temperatūras stabilitāti.

Wolfspeed piedāvā plašu silīcija karbīda moduļu klāstu, kas atbilst dažādu lietojumu prasībām, tostarp AC-DC jaudas koeficienta korekcijas moduļus, buck/boost DC/DC moduļus, divvirzienu AC/DC moduļus un augstfrekvences DC/DC moduļus, kas palīdzēs projektētājiem izmantot to priekšrocības. Wolfspeed piedāvājumā ir arī etalonprojekti un novērtēšanas rīku komplekti, kas palīdz projektēšanas procesā.

SiC ir pievilcīga izvēle, tomēr, lai pilnībā izmantotu tā jaudas potenciālu, ir nepieciešams pievērsties noteiktām mehāniskām īpašībām. Šīs problēmas ietver termisko spriedzi, augstu darba temperatūru un ierobežotas jaudas cikliskuma iespējas - tomēr Vincotech uzlabotā die-attach tehnoloģija piedāvā risinājumus, lai pārvarētu šīs grūtības, atbrīvojot lodēšanas savienojumus no spriedzes - vājā posma SiC jaudas moduļos.

Uzņēmuma tehnoloģija izmanto patentētu lodēšanas sakausējumu, lai nodrošinātu, ka barošanas moduļi var izturēt ilgstošu termisko slodzi, nebojājot silīcija plāksnes, tādējādi palielinot ciklu ilgumu un samazinot bojājumu risku sarežģītās medicīniskās barošanas sistēmās. Turklāt šī progresīvā tehnoloģija stiprina saiti starp SiC mikroshēmām un metāla substrātiem, tādējādi vēl vairāk palielinot SiC mikroshēmu cikliskumu.

Izturība

Silīcija karbīds (SiC) kā platjoslas pusvadītāju materiāls var nodrošināt daudzas priekšrocības enerģijas pārveidošanas lietojumos. Šīs priekšrocības var ietvert uzlabotu efektivitāti, zemākas izmaksas un mazākus izmērus, tomēr, lai realizētu šīs potenciālās priekšrocības, ir jāpārvar dažādi tehniskie šķēršļi.

SiC barošanas moduļi rada papildu izaicinājumu, kad runa ir par to jaudas cikliskuma palielināšanu. Jaudas cikliskuma testi imitē reālus notikumus, kas rada slodzi ierīču iekšējiem mehānismiem un materiāliem. Rūpniecība izmanto jaudas cikliskuma testus kā etalonu, lai noteiktu to veiktspēju dažādos apstākļos; lai veiktu šos testus, maiņstrāvas testa mašīna pievada ierīcēm augstsprieguma maiņstrāvu, kas izraisa izkliedes procesus, kas ievērojami paaugstina temperatūru; augstākai temperatūrai ir nepieciešams lielāks enerģijas daudzums, lai tās pārslēgtos no bloķēšanas stāvokļa uz vadītspējas stāvokli.

Paaugstināta komutācijas enerģija rada siltuma veidošanos, saīsinot ierīces kalpošanas laiku un palielinot īssavienojuma vai lavīnveida bojājuma risku. Šādos apstākļos var rasties SC bojājumi vai lavīnveida izrāviens, padarot šīs ierīces nefunkcionējošas un galu galā pilnībā sabojājoties.

Tradicionālie risinājumi ir ietvēruši papildu komponentu pievienošanu shēmām, lai aizsargātu ierīces, taču tas palielina jaudas pārveidotāju kopējās izmaksas un sarežģītību. Tāpēc Danfoss ir izstrādājis inovatīvu jaunu savienošanas un savienošanas tehnoloģiju, pazīstamu kā Bond Buffer, kas efektīvi atrisina šīs problēmas.

Šī patentētā tehnoloģija izmanto vara stiepļu savienošanu un saķepinātu diegu pievienošanu, lai aizstātu lodēšanas savienojumus moduļos, ļaujot tiem darboties pie augstākām maksimālajām savienojuma temperatūrām, nepazeminot strāvas stiprumu, kā arī uzlabojot uzticamību un paplašinot jaudas cikliskuma iespējas.

Vincotech SiC moduļu platforma apvieno silīcija karbīda MOSFET ātrdarbību un efektivitāti ar 62 mm standarta iepakojumu, lai nodrošinātu lietotājam maksimālu labumu zemas induktivitātes lietojumos, piemēram, rūpnieciskajās motoru piedziņās, elektromobiļu lādētājos vai ar akumulatoru darbināmos lietojumos.

Vincotech SiC moduļi uzrādīja lieliskas jaudas cikliskuma spējas, salīdzinot ar konkurējošiem piedāvājumiem, kuros izmanto parasto lodēšanas sakausējumu. Šo uzlabojumu var izskaidrot ar uzlabotu spēju efektīvi absorbēt un izkliedēt termisko enerģiju.