Los desarrollos innovadores en electrónica de potencia pertenecen a las tecnologías clave del futuro con el fin de aumentar la eficiencia del sistema, así como el rendimiento en aplicaciones automotrices y de ahorro de energía. El silicio es el material principal para los interruptores electrónicos durante décadas. Los procesos de fabricación avanzados y los diseños de dispositivos electrónicos sofisticados han optimizado el rendimiento de los dispositivos electrónicos de silicio casi hasta su límite teórico. Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del sistema, es necesario explorar nuevos materiales que presenten propiedades físicas y químicas más allá del silicio. Varios semiconductores con banda prohibida amplia como el carburo de silicio, el nitruro de galio, el óxido de galio y el diamante exhiben características sobresalientes que pueden allanar el camino hacia nuevos niveles de rendimiento.
La corresponsal de ELE Times, Sheeba Chauhan, tuvo una entrevista exclusiva con Stefan Obersriebnig, jefe de línea de productos voltaje Conversión del poder de Infineon y sensor División de Sistemas y Steve Roberts, Gerente de Innovación de RECOM Power. Esta interacción cubre principalmente sobre la electrónica de potencia en Semiconductores y algunas tecnologías importantes en el futuro.
La nueva iniciativa Smart Power basada en GaN la tecnología
Hablando del mismo Stefan Obsersriebnig, el jefe de línea de productos de Infineon dijo que GaN ofrece la posibilidad tecnológica de integrar componentes de potencia de alto voltaje como HEMT normalmente apagados y dispositivos periféricos de bajo voltaje como controladores de puerta, cambio de nivel, circuitos de detección de corriente y voltaje en uno solo. morir con el mismo proceso de fabricación. Esto permite crear dispositivos que están altamente integrados y proporcionan todos los circuitos necesarios dentro de un solo paquete para la mayor densidad de potencia y facilidad de uso con un comportamiento de "entrada y salida digital".
Si bien Steve Roberts, Gerente de Innovación de RECOM Power respondió, Smart Power puede referirse a formas de administrar inteligentemente los recursos existentes para evitar la pobreza energética, especialmente en áreas rurales. El término también se utiliza para describir la gestión de la distribución de energía en las grandes ciudades y grandes fábricas para evitar interrupciones y sobrecargas de la red. De cualquier manera, el equilibrio de los recursos energéticos limitados requiere un cambio de energía eficiente. La tecnología GaN es crucial para este concepto porque permite fabricar fuentes de alimentación con eficiencias cercanas al 99%.
Las tecnologías de SiC y GaN impulsan la innovación y la eficiencia en la electrónica de potencia del mañana
Stefan Obsersriebnig respondió que SiC y GaN son semiconductores de banda ancha que permiten campos eléctricos más altos en los dispositivos y, por lo tanto, capas más delgadas con mayor dopaje para bloquear el voltaje. Esto reduce el área requerida para una determinada resistencia, lo que disminuye las capacitancias parásitas. Como resultado, SiC y especialmente GaN pueden operar a frecuencias de conmutación mucho más altas que sus contrapartes de Si. Esto conduce a componentes pasivos más pequeños y mayores densidades de potencia de los sistemas electrónicos de potencia. Además, dado que en SiC y GaN no hay portadores minoritarios involucrados en la fase de conducción, estos dispositivos también pueden ser conmutados. Esto significa que se hacen posibles nuevos esquemas de control, que, por ejemplo, usan una combinación de conmutación suave y dura sobre la carga y / o los rangos de voltaje de entrada y salida. Esto ofrece nuevos grados de libertad para los diseñadores de sistemas electrónicos de potencia y mayores eficiencias al elegir el esquema de modulación óptimo para cada punto de operación.
Por lo tanto, para encender (mejorar) un GaN HEMT, la región de agotamiento debe "cancelarse" aplicando un pequeño voltaje a la puerta, desbloqueando la conexión entre la fuente y el drenaje. Esto sucede MUY rápido, lo que hace que las velocidades de conmutación desde 100 kHz hasta las regiones de MHz sean fácilmente realizables.
Para aplicaciones militares o espaciales, la capacidad inherente de resistencia RadHard del GaN lateral sobre la construcción vertical de Si / SiC también es un factor de atracción importante.
Los transistores de SiC son similares a los de Si-mosfets, pero use un carburo de silicio en lugar de un sustrato de silicio. El SiC tiene un voltaje de ruptura mucho más alto, por lo que las capas individuales se pueden hacer más delgadas, reduciendo la capacitancia de conmutación y aumentando la capacidad de manejo de corriente. Así SiC-mosfet cambia más rápido y con mayor densidad de potencia que un Si-equivalente.MOSFET Transistor.
¿Qué tan amplia banda prohibida están dando forma al futuro de la electrónica de potencia los semiconductores?
Stefan Obsersriebnig respondió que los semiconductores de banda ancha permiten romper las barreras de rendimiento de los sistemas de Si existentes. La eficiencia y la densidad de potencia se llevan a nuevos niveles, y también se habilitan nuevas aplicaciones. Desempeñan un papel importante en la electrificación y descarbonización de nuestras vidas, ya que no solo se desperdicia menos energía durante los procesos de conversión, sino que también se pueden procesar niveles de potencia más altos en menos espacio. Como conclusión, el futuro de la electrónica de potencia está moldeado en gran medida por semiconductores de banda ancha, ya que abren nuevos vectores de investigación en topologías avanzadas, esquemas de modulación y control, conceptos de integración, métodos de filtrado y más.
Semiconductores Las soluciones de Infineon respaldan un flujo estable y eficiente con pérdidas reducidas, maximizando así la eficiencia a lo largo de la cadena eléctrica, todo ello con estándares de alta calidad para la mayor confiabilidad y una mayor sostenibilidad.
Las últimas soluciones de energía para aplicaciones industriales y automotrices
Stefan Obsersriebnig respondió que en el ámbito industrial, Infineon ha introducido recientemente en el mercado nuevas generaciones de silicio, como por ejemplo IGBT7 o CoolMOS 7. Se han agregado nuevas plataformas de paquetes como EASY 3B, ampliando el alcance de los módulos sin placa base integrados en PCB de alimentación. Además, se han lanzado paquetes de energía como QDPAK para dar forma a la tendencia de refrigeración superior. Además de nuestra oferta de Si, la amplia banda prohibida está creciendo sustancialmente. Como ejemplo, se lanzan combinaciones inteligentes de chips de silicio y carburo de silicio, que ofrecen al cliente una solución de rendimiento óptimo, por ejemplo, en topología ANPC. Además, Infineon lanzó una amplia gama de dispositivos discretos CoolSiC de 650 V. Además, una atractiva cartera de productos CoolGaN 600 V aborda aquellas aplicaciones y clientes que exigen una eficiencia superior, especialmente en combinación con la máxima densidad de potencia.
WBG en aplicaciones automotrices también está en el punto focal de Infineon. En la feria comercial virtual PCIM de este año, Infineon también presentó el nuevo HybridPACK Drive CoolSiC, un puente completo módulo con tensión de bloqueo de 1200 V optimizada para inversores de tracción en vehículos eléctricos. El módulo de potencia se basa en la tecnología MOSFET de trinchera CoolSiC para automóviles para aplicaciones de alta densidad de potencia y alto rendimiento. Esto ofrece una mayor eficiencia en inversores con mayor alcance y menores costos de batería, particularmente para vehículos con sistemas de batería de 800 V y mayor capacidad de batería. Además, nuestras soluciones de semiconductores de potencia y circuitos integrados de control inteligente permiten la optimización de múltiples objetivos para reducir los costos del sistema, aumentar la densidad de potencia, aumentar la eficiencia de las aplicaciones y sistemas modulares, compatibles con su topología preferida. Los semiconductores, en particular los producidos por Infineon, pueden desempeñar un papel vital en el desarrollo de la eficiencia energética en todas las fases de la cadena de suministro de energía, especialmente en un vehículo electrificado.
Al minimizar las pérdidas de energía y maximizar el ahorro de energía, aumentan el rendimiento general de los vehículos híbridos y eléctricos. Nuestras amplias tecnologías clave, incluidas las basadas en Si como IGBT y SJ MOSFET, se dirigen al segmento de rendimiento de costes en el que las soluciones de WBG basadas en SiC hoy y GaN en el futuro permitirán una optimización de alto rendimiento en el lado del cliente.
Steve Roberts dijo que a largo plazo, la tecnología GaN también ofrecerá reducciones masivas en las dimensiones de la fuente de alimentación de CA. Ya se están desarrollando densidades de potencia de 40 W / pulg², que duplican o triplican las densidades de potencia de las tecnologías convencionales basadas en Si. Esto significa que los clientes industriales y médicos pueden esperar una nueva generación de fuentes de alimentación de CA / CC que encajen en gabinetes mucho más pequeños con una mínima generación de calor. Dado que GaN es especialmente adecuado para topologías de retroceso de abrazadera activa, resonante de alta eficiencia o baja EMI, muchas fuentes de alimentación voluminosas se reemplazarán con nuevos diseños elegantes que significarán que los productos futuros se diseñarán más en torno a la interfaz de usuario que a la fuente de alimentación voluminosa.
Por ejemplo, los productos de CA / CC habilitados para GaN de próxima generación de RECOM ofrecerán una fuente de alimentación de CA / CC de 60 W con un tamaño de 3 "x1.6" en lugar del estándar de la industria de 4 "x 2", una reducción del 40% de tamaño para la misma potencia de salida.
Las últimas e innovadoras soluciones de energía de SiC y GaN que hacen que los sistemas industriales y automotrices sean más inteligentes y ecológicos
Stefan Obsersriebnig respondió que hacer la vida más fácil, segura y ecológica es la misión de Infineon. Nuestros productos se están desarrollando para apoyar un futuro más sostenible. Agregamos nuevos productos discretos basados en SMD que ofrecen una sujeción superior del troquel y estabilidad de ciclos térmicos. Se lanzan nuevos módulos basados en AlN con SiC. Los dispositivos de 650 V complementan ahora la oferta de CoolMOS. También se lanzó el primer IPM de 1200V SiC del mundo. El mundo de la automoción está evolucionando a un ritmo sin precedentes.
En Infineon, miramos hacia atrás en 40 años de éxito y experiencia probada en el suministro de semiconductores de alta calidad para alimentar sistemas electrónicos para la industria automotriz. Una de las creencias fundamentales es hacer que los automóviles sean más ecológicos y, por lo tanto, Infineon invierte continuamente en tecnologías para permitir la transición a vehículos electrificados de manera más rápida y eficiente. Las soluciones basadas en Infineon WBG permiten la reducción del tamaño del sistema hasta en un 80% gracias a una mayor densidad de potencia, menos esfuerzo de enfriamiento y una menor cantidad de componentes pasivos. Nuestros clientes pueden aumentar la densidad de energía y la eficiencia de conversión de energía. Ambas direcciones de optimización son la clave, especialmente en un segmento de vehículos electrificados donde una mayor eficiencia puede extender el rango de conducción y la densidad de potencia simplifica el diseño y permite instalar baterías de mayor capacidad en la misma carrocería.
La electrónica de potencia basada en SiC para el inversor principal xEV y la electrónica de carga (convertidor OBC + HV DC-DC) se está acelerando; esto es especialmente cierto en la segmentación de automóviles premium hoy y en la automotriz de clase de volumen en el futuro. Para habilitar la electrónica de potencia ecológica, Infineon está invirtiendo en una amplia cartera de productos de SiC: soluciones basadas en SiC de 750 V y 1200 V. En el sector de la automoción, la cartera se amplió con más productos basados en MOSFET y soluciones híbridas. GaN podría ser un sucesor potencial de SiC para permitir una densidad de potencia aún mayor en el futuro y, por lo tanto, Infineon desarrollará también soluciones basadas en GaN para el sector de la automoción.
Steve Roberts respondió asombrosamente que los transistores de SiC y GaN cambian más rápido, más limpio y tienen un mejor rendimiento térmico en general que IGBT (SiC a través de su química - el carburo de silicio tiene aproximadamente 3.5 veces mejor conductividad térmica que el silicio, y GaN a través de sus pérdidas muy bajas y SMD eficiente empaquetado), pero para muchas aplicaciones, los MOSFET de superunión y los IGBT aún ofrecen un rendimiento aceptable a un precio mucho más bajo. Por lo tanto, para muchas aplicaciones industriales sensibles al precio, las tecnologías basadas en silicio todavía tienen la ventaja sobre las nuevas químicas; por ahora al menos.
Además, como los transistores WBG aún se encuentran en desarrollo temprano, la tecnología IGBT más madura ofrece voltajes y corrientes de conmutación más altos que sus rivales más jóvenes:
Sin embargo, hay varias aplicaciones clave en las que las ventajas de rendimiento de WBG son cruciales: los vehículos eléctricos (EV) requieren una mayor eficiencia (mayor frecuencia de conmutación) y un mejor rendimiento térmico (menores pérdidas de conmutación) que las que actualmente se encuentran disponibles en las tecnologías basadas en Silicon.
La eficiencia general de un vehículo eléctrico enchufable es actualmente de alrededor del 60% (conversión de la energía de la red a la energía cinética del vehículo). WBG ofrece la posibilidad de mejorar el control de energía y la eficiencia de carga de la batería para que la eficiencia general aumente al 72%. Esto representa un aumento de alcance efectivo de más del 20% sin cambiar la tecnología de batería existente. Esta perspectiva de aplicaciones de vehículos eléctricos de alto volumen es muy atractiva para las tecnologías de SiC y GaN.
Sin embargo, hay varias aplicaciones clave en las que las ventajas de rendimiento de WBG son cruciales: los vehículos eléctricos (EV) requieren una mayor eficiencia (mayor frecuencia de conmutación) y un mejor rendimiento térmico (menores pérdidas de conmutación) que las que actualmente se encuentran disponibles en las tecnologías basadas en Silicon.
Autor colaborador:
sheeba chauhan
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