Cum să valorificați toate avantajele modulelor de alimentare cu carbură de siliciu

Siliciul este în mod tradițional materialul de bază pentru semiconductorii de putere, dar recent carbura de siliciu (SiC) a apărut ca o alegere de material alternativ care oferă performanțe îmbunătățite pentru aplicațiile cu căldură ridicată și tensiune ridicată.

Modulele de alimentare SiC au frecvențe de comutare mai mari cu pierderi reduse pentru componente de filtrare pasive mai compacte, oferind astfel o densitate mai mare a puterii în sisteme la costuri reduse.

Comutare rapidă

Semiconductorii de putere din carbură de siliciu (SiC) cu bandă largă ar putea revoluționa piața modulelor de putere cu viteze de comutare mai mari, pierderi mai mici și interferențe electromagnetice (EMI) reduse. Dar pentru a profita pe deplin de avantajele modulelor SiC este necesară utilizarea unei abordări adecvate la proiectarea și asamblarea acestora - iată câteva bune practici care ar putea ajuta dezvoltatorii să depășească orice obstacole și să realizeze toate beneficiile.

Tranzistoarele de putere SiC de mare viteză au potențialul de a reduce tensiunea sistemului cu până la 50%, oferind în același timp performanțe armonice superioare, permițând proiectanților să utilizeze componente pasive mai mici și să crească densitatea puterii. Inductanța de comutație rămâne una dintre principalele provocări asociate dispozitivelor SiC; pentru a o atenua, proiectanții ar putea dori să încorporeze MOSFET-uri SiC în pachete cu inductanță parazitară minimă.

Platforma de module de alimentare SEMITOP E1/E2 prezintă cele mai recente generații de cipuri în diferite topologii, cum ar fi topologiile sixpack, half-bridge și H-bridge. Pinotul său este optimizat pentru proiectarea mai ușoară a PCB-urilor și punerea în paralel a mai multor module de alimentare simultan și are un coeficient de temperatură specific RDS(on) extrem de scăzut care permite viteze de funcționare rapide.

Modulele de putere din carbură de siliciu reprezintă o alegere excelentă pentru aplicațiile care necesită o densitate de putere sporită, fiabilitate și viteze de comutare mai mari. Gama lor largă de temperaturi și eficiența ridicată le fac o opțiune atractivă atât pentru acționările motoarelor, cât și pentru încărcătoarele de baterii; în plus, ele pot rezista la supracurenți mari, oferind în același timp un comportament termic superior în comparație cu semiconductorii de putere convenționali din siliciu, ceea ce permite economii semnificative.

Chiar și cu numeroasele sale beneficii, comutarea de mare viteză prezintă încă mai multe obstacole în calea adoptării sale pe scară largă în aplicațiile industriale. Printre acestea se numără dificultăți în testarea și măsurarea precisă a comutatoarelor; paraziții de circuit care pot provoca vârfuri de tensiune; neconformitatea cu reglementările EMI; precum și cerințele extrem de complexe de proiectare și integrare a etajelor de putere. Din fericire, câteva bune practici pot depăși aceste probleme și pot dezlănțui întregul potențial al tehnologiei SiC în aplicațiile de mare viteză.

Platforma LM Power Module de la Wolfspeed valorifică avantajele carburii de siliciu în aplicații cu densitate de putere ridicată, cum ar fi încărcătoarele pentru vehicule electrice și UPS-urile industriale, cum ar fi pachetul său inovator de modul de 62 mm, care combină semiconductorii de comutare SiC cu o placă de bază standard din industrie pentru a produce o temperatură de funcționare continuă a joncțiunii de 175 degC și dispune de un substrat de putere fiabil Si3N4 pentru a garanta robustețea mecanică în medii dificile, în plus față de o placă de bază AlSiC cu o rezistență termică extrem de scăzută între joncțiune și fluid de 0.15degC/W per poziție a comutatorului pentru performanțe maxime de rezistență termică și durabilitate mecanică în condiții dificile.

Densitate mare de putere

Acționările de tracțiune reprezintă o mare parte din producția de energie a unui vehicul electric (VE), astfel încât acestea trebuie să funcționeze cu eficiență maximă, ocupând în același timp un spațiu minim pentru a reduce greutatea. În plus, pentru a maximiza autonomia, acestea trebuie să genereze o putere mare de ieșire din spații mici; pentru a face acest lucru, este nevoie de invertoare care convertesc puterea cu frecvențe de comutare mai mari și pierderi reduse decât IGBT-urile tradiționale cu siliciu.

Carbura de siliciu cu bandă largă (WBG SiC) este materialul optim pentru atingerea acestor obiective de performanță. În comparație cu dispozitivele convenționale din SiC, dispozitivele din WBG SiC pot funcționa la temperaturi și tensiuni mai ridicate fără a suferi pierderi de comutare, așa cum se întâmplă în cazul dispozitivelor din siliciu; în plus, pierderile de comutare sunt mai mici decât în cazul siliciului, ceea ce permite frecvențe de comutare mai mari care, în cele din urmă, cresc eficiența și densitatea de putere.

Ca atare, proiectanții de sisteme de conversie a puterii se bazează din ce în ce mai mult pe dispozitivele din carbură de siliciu (SiC). Beneficiile acestora sunt vaste; cu toate acestea, utilizarea SiC poate prezenta propriul set de provocări; de exemplu, nivelurile ridicate de temperatură și putere pot supune rosturile de lipire unor tensiuni nejustificate care reduc semnificativ capacitatea de ciclu de alimentare. Vincotech a reacționat prin crearea unei tehnologii inovatoare de lipire a cipurilor care atenuează astfel de tensiuni pentru a spori capacitățile de ciclu de alimentare ale modulelor SiC.

Modulele SiC au o conductivitate termică superioară față de alte dispozitive, permițând proiectanților să reducă dimensiunile componentelor pasive de filtrare pentru o densitate mai mare a puterii, reducând în același timp și nevoile de disipare a căldurii, reducând astfel costurile totale ale sistemului.

SiC poate contribui, de asemenea, la reducerea greutății și dimensiunii convertoarelor de putere datorită amprentei sale mult mai mici decât a dispozitivelor tradiționale din siliciu, contribuind la îmbunătățirea eficienței și fiabilității sistemului în timp ce reduce greutatea și dimensiunea.

Indiferent de aplicație, producătorii de convertoare de putere trebuie să se asigure că modulele lor pot îndeplini criterii de performanță exigente. Acest lucru include atingerea unei frecvențe de comutare ridicate și a unei inductanțe de dispersie scăzute - elemente esențiale pentru menținerea vitezelor de margine rapide necesare pentru o performanță optimă. Din fericire, modulele de alimentare Wolfspeed all-SiC de 3,3kV îndeplinesc aceste standarde stricte datorită puterii de partajare a curentului și a driverului de poartă, lider în industrie.

Eficiență ridicată

Semiconductorii de putere SiC cu bandă largă au pierderi reduse semnificativ în comparație cu omologii din siliciu, permițând frecvențe de comutare mai mari și componente pasive mai mici. În plus, SiC poate rezista la temperaturi extreme fără a-și pierde performanțele în timp.

Acești factori permit proiectanților să construiască sisteme de conversie a puterii mai eficiente din punct de vedere energetic, mai compacte și mai rentabile folosind module SiC. Construcția lor ușoară și în același timp flexibilă a dus la o economie de greutate de 20% pentru invertoarele de tracțiune ale vagoanelor de cale ferată utilizate pe sistemul de trenuri Shinkansen din Japonia; în mod similar, încărcătoarele EV și încărcătoarele de baterii feroviare pot profita de eficiența și performanța crescute ale SiC.

Materialul SiC mai subțire reduce, de asemenea, inductanța de comutare, permițând viteze de comutare mai mari care duc la dimensiuni mai mici ale componentelor filtrului magnetic și la creșterea densității de putere. O frecvență de comutare mai mare reduce, de asemenea, tensiunea de ondulare pentru bucle de reacție mai scurte cu niveluri EMI reduse; pierderea de comutare redusă reduce și mai mult pierderile de putere, crescând în același timp stabilitatea la temperatură.

Wolfspeed oferă un portofoliu extins de module din carbură de siliciu pentru a îndeplini cerințele diverselor aplicații, inclusiv module de corecție a factorului de putere AC-DC, module DC/DC buck/boost, module AC/DC bidirecționale și module DC/DC de înaltă frecvență, care vor ajuta proiectanții să profite de avantajele sale. Portofoliul Wolfspeed include, de asemenea, proiecte de referință și seturi de instrumente de evaluare pentru a sprijini procesul de proiectare.

SiC este o alegere atractivă, însă realizarea întregului său potențial energetic necesită abordarea anumitor proprietăți mecanice. Aceste provocări includ stresul termic, temperaturile ridicate de funcționare și capacitatea limitată de cicluri de alimentare - totuși, tehnologia avansată Vincotech de atașare la matriță oferă soluții pentru depășirea acestor dificultăți prin eliberarea de stres a îmbinărilor de lipire - veriga slabă a modulelor de alimentare SiC.

Tehnologia companiei utilizează un aliaj de lipire brevetat pentru a se asigura că modulele de alimentare pot rezista stresului termic pe termen lung fără a deteriora plachetele de siliciu, crescând astfel durata de viață a ciclurilor și diminuând riscul de defectare în aplicațiile de alimentare medicală exigente. În plus, această tehnologie avansată întărește lipirea dintre cipurile SiC și substraturile metalice, crescând astfel și mai mult capacitatea de ciclare a cipurilor SiC.

Robustețe

Carbura de siliciu (SiC), ca material semiconductor cu bandă largă, poate oferi numeroase avantaje în aplicațiile de conversie a puterii. Aceste avantaje pot include o eficiență îmbunătățită, costuri mai mici și dimensiuni mai reduse - deși pentru a realiza aceste avantaje potențiale este necesar să se depășească diverse obstacole tehnice de proiectare.

Modulele de alimentare SiC prezintă o provocare suplimentară atunci când vine vorba de creșterea capacităților lor de cicluri de alimentare. Testele de cicluri de alimentare simulează evenimente reale care pun la încercare mecanismele și materialele interne ale dispozitivelor. Industria utilizează testele de cicluri de putere ca punct de referință al performanței lor în condiții diferite; pentru a efectua aceste teste, o mașină de testare cu curent alternativ aplică un curent alternativ de înaltă tensiune dispozitivelor, ceea ce provoacă evenimente disipative care cresc temperatura în mod semnificativ; temperaturile mai ridicate necesită cantități mai mari de energie pentru ca acestea să treacă din starea de blocare în starea de conducție.

Creșterea energiei de comutare duce la producerea de căldură, scurtarea duratei de viață a dispozitivului și creșterea riscului de scurtcircuit sau de rupere în avalanșă. În astfel de condiții, pot apărea defecțiuni SC sau ruperi de avalanșă, făcând aceste dispozitive nefuncționale și, în cele din urmă, defectându-se complet.

Soluțiile tradiționale au inclus adăugarea de componente suplimentare în circuite pentru a proteja dispozitivele, dar acest lucru crește costul general și complexitatea convertoarelor de putere. Ca urmare, Danfoss a venit cu o nouă tehnologie inovatoare de lipire și îmbinare, cunoscută sub numele de Bond Buffer, care rezolvă eficient aceste probleme.

Această tehnică patentată utilizează lipirea cu sârmă de cupru și atașarea de matrițe sinterizate pentru a înlocui îmbinările lipite în module, permițându-le să funcționeze la temperaturi maxime de joncțiune mai ridicate fără a degrada curentul, precum și îmbunătățirea fiabilității și extinderea capacității de cicluri de alimentare.

Platforma de module SiC de la Vincotech reunește viteza și eficiența MOSFET-urilor din carbură de siliciu cu ambalajul standard industrial de 62 mm pentru beneficii maxime pentru utilizatori în aplicații cu inductanță redusă, cum ar fi acționările motoarelor industriale, încărcătoare EV sau aplicații alimentate de baterii.

Modulele SiC de la Vincotech au demonstrat o capacitate superioară de cicluri de putere în comparație cu ofertele concurenței care utilizează aliaje de lipit convenționale. Această îmbunătățire poate fi atribuită capacității sale îmbunătățite de a absorbi și disipa eficient energia termică.