Perkembangan inovatif dalam elektronika daya termasuk dalam teknologi kunci masa depan untuk meningkatkan efisiensi sistem serta kinerja dalam aplikasi otomotif dan penghematan energi. Silikon adalah bahan utama untuk sakelar elektronik selama beberapa dekade. Proses fabrikasi canggih dan desain perangkat elektronik canggih telah mengoptimalkan kinerja perangkat elektronik silikon hampir ke batas teoretisnya. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kinerja sistem, bahan baru yang menunjukkan sifat fisik dan kimia di luar silikon perlu dieksplorasi. Sejumlah semikonduktor celah pita lebar seperti silikon karbida, galium nitrida, galium oksida, dan berlian menunjukkan karakteristik luar biasa yang dapat membuka jalan ke tingkat kinerja baru.
Koresponden ELE Times Sheeba Chauhan melakukan wawancara eksklusif dengan Stefan Obersriebnig, Kepala Bagian Lini Produk tegangan Konversi Daya Infineon & Sensor Divisi Sistem, dan Steve Roberts, Manajer Inovasi RECOM Power. Interaksi ini mencakup sebagian besar tentang elektronika daya di Semikonduktor dan beberapa teknologi utama di depan.
Inisiatif Smart Power baru berdasarkan GaN teknologi
Berbicara tentang Stefan Obsersriebnig yang sama, kepala lini produk Infineon mengatakan bahwa GaN menawarkan kemungkinan teknologi untuk mengintegrasikan komponen daya tegangan tinggi seperti HEMT yang biasanya mati dan perangkat periferal tegangan rendah seperti driver gerbang, pergeseran level, sirkuit sensor arus dan tegangan menjadi satu. mati dengan proses fabrikasi yang sama. Hal ini memungkinkan pembuatan perangkat yang sangat terintegrasi dan menyediakan semua sirkuit yang diperlukan dalam satu paket untuk kepadatan daya tertinggi dan kemudahan penggunaan dengan perilaku "masuk, matikan digital".
Sementara Steve Roberts, Manajer Inovasi RECOM Power menanggapi, Smart Power dapat merujuk pada cara-cara cerdas mengelola sumber daya yang ada untuk menghindari kemiskinan energi, terutama di daerah pedesaan. Istilah ini juga digunakan untuk menggambarkan pengelolaan distribusi listrik di kota-kota besar dan pabrik-pabrik besar untuk menghindari gangguan jaringan dan kelebihan beban. Either way, keseimbangan sumber daya energi yang terbatas membutuhkan pengalihan daya secara efisien. Teknologi GaN sangat penting untuk konsep ini karena memungkinkan pasokan listrik dibuat dengan efisiensi mendekati 99%.
Teknologi SiC dan GaN mendorong inovasi dan efisiensi dalam elektronika daya masa depan
Stefan Obsersriebnig menjawab bahwa SiC dan GaN adalah semikonduktor celah pita lebar yang memungkinkan medan listrik yang lebih tinggi di perangkat dan dengan demikian lapisan yang lebih tipis dengan doping yang lebih tinggi untuk memblokir tegangan. Ini mengurangi area yang diperlukan untuk resistansi yang diberikan, yang menurunkan kapasitansi parasit. Akibatnya, SiC dan terutama GaN dapat beroperasi pada frekuensi switching yang jauh lebih tinggi daripada rekan-rekan Si mereka. Hal ini menyebabkan komponen pasif yang lebih kecil dan kepadatan daya yang lebih tinggi dari sistem elektronika daya. Selanjutnya, karena dalam SiC dan GaN tidak ada pembawa minoritas yang terlibat dalam fase konduksi, perangkat ini juga dapat di-hard-switched. Ini berarti bahwa skema kontrol baru menjadi mungkin, misalnya, menggunakan campuran hard-switching dan soft-switching pada rentang tegangan beban dan/atau input dan output. Ini menawarkan derajat kebebasan baru bagi perancang sistem elektronika daya dan efisiensi yang lebih tinggi dengan memilih skema modulasi optimal untuk setiap titik operasi.
Jadi untuk menghidupkan (meningkatkan) GaN HEMT, wilayah penipisan perlu "dibatalkan" dengan menerapkan tegangan kecil ke gerbang, membuka blokir koneksi antara sumber dan saluran. Hal ini terjadi SANGAT cepat membuat kecepatan peralihan dari 100 kHz hingga ke wilayah MHz mudah direalisasikan.
Untuk aplikasi militer atau luar angkasa, kemampuan menahan RadHard yang melekat pada GaN lateral di atas konstruksi Si/SiC vertikal juga merupakan faktor penarik utama.
Transistor SiC mirip dengan transistor Si-konvensional.MOSFET, tetapi gunakan silikon karbida daripada substrat silikon. SiC memiliki tegangan tembus yang jauh lebih tinggi sehingga lapisan individu dapat dibuat lebih tipis, mengurangi kapasitansi switching dan meningkatkan kemampuan penanganan arus. Jadi SiC-MOSFET beralih lebih cepat dan dengan kepadatan daya lebih tinggi daripada Si-MOSFET Transistor.
Seberapa lebar celah pita semikonduktor membentuk masa depan elektronika daya?
Stefan Obsersriebnig menjawab bahwa semikonduktor celah pita lebar memungkinkan pemecahan hambatan kinerja sistem Si yang ada. Efisiensi dan kepadatan daya didorong ke level baru, dan juga aplikasi baru diaktifkan. Mereka memainkan peran penting dalam elektrifikasi dan de-karbonisasi kehidupan kita, karena tidak hanya lebih sedikit energi yang terbuang selama proses konversi, tetapi juga tingkat daya yang lebih tinggi dapat diproses dalam ruang yang lebih sedikit. Sebagai garis bawah, masa depan elektronika daya sangat dibentuk oleh semikonduktor celah pita lebar karena mereka membuka vektor penelitian baru ke dalam topologi canggih, skema modulasi dan kontrol, konsep integrasi, metode penyaringan, dan banyak lagi.
Semikonduktor solusi dari Infineon mendukung aliran yang stabil dan efisien dengan pengurangan kerugian, sehingga memaksimalkan efisiensi di sepanjang rantai daya, semuanya dengan standar kualitas tinggi untuk keandalan tertinggi dan peningkatan keberlanjutan.
Solusi daya terbaru untuk aplikasi industri dan otomotif
Stefan Obsersriebnig menjawab bahwa di bidang industri, Infineon baru-baru ini telah memperkenalkan generasi silikon baru ke pasar seperti IGBT7 atau CoolMOS 7. Platform paket baru seperti EASY 3B telah ditambahkan, memperluas cakupan modul tanpa pelat dasar yang tertanam pada PCB daya. Selain itu, paket listrik seperti QDPAK telah diluncurkan untuk membentuk tren pendinginan sisi atas. Selain penawaran Si kami, kesenjangan pita lebar (bandgap) juga meningkat secara substansial. Sebagai salah satu contoh, kombinasi cerdas chip silikon dan silikon karbida diluncurkan, menawarkan solusi kinerja cot yang optimal kepada pelanggan, misalnya dalam topologi ANPC. Selanjutnya, Infineon meluncurkan serangkaian perangkat diskrit CoolSiC 650 V. Selain itu, portofolio produk CoolGaN 600 V yang menarik menjawab aplikasi dan pelanggan yang menuntut efisiensi unggul terutama jika dikombinasikan dengan kepadatan daya tertinggi.
WBG dalam aplikasi otomotif juga menjadi fokus Infineon. Pada pameran dagang PCIM virtual tahun ini, Infineon juga menghadirkan HybridPACK Drive CoolSiC baru, sebuah full-bridge modul dengan tegangan pemblokiran 1200 V yang dioptimalkan untuk inverter traksi pada kendaraan listrik. Modul daya didasarkan pada teknologi MOSFET parit CoolSiC otomotif untuk kepadatan daya tinggi dan aplikasi kinerja tinggi. Hal ini menawarkan efisiensi yang lebih tinggi pada inverter dengan jangkauan yang lebih jauh dan biaya baterai yang lebih rendah, terutama untuk kendaraan dengan sistem baterai 800 V dan kapasitas baterai yang lebih besar. Selain itu, solusi semikonduktor daya dan IC kontrol cerdas kami memungkinkan optimalisasi multi-target untuk pengurangan biaya sistem, peningkatan kepadatan daya, efisiensi aplikasi yang lebih tinggi, dan sistem modular— mendukung topologi pilihan Anda. Semikonduktor, khususnya yang diproduksi oleh Infineon, dapat memainkan peran penting dalam membangun efisiensi energi di semua fase rantai pasokan energi, terutama pada kendaraan berlistrik.
Dengan meminimalkan kerugian daya dan memaksimalkan penghematan daya, mereka meningkatkan kinerja keseluruhan kendaraan hibrida dan listrik. Teknologi kunci kami yang luas, termasuk berbasis Si seperti IGBT dan SJ MOSFET, menangani segmen kinerja biaya di mana solusi WBG berdasarkan SiC saat ini dan GaN di masa depan akan memungkinkan pengoptimalan kinerja tinggi di sisi pelanggan.
Steve Roberts mengatakan bahwa dalam jangka panjang, teknologi GaN juga akan menawarkan pengurangan besar-besaran dalam dimensi catu daya AC. Densitas daya 40W/in² telah dikembangkan, dua atau tiga kali lipat densitas daya teknologi berbasis Si konvensional. Ini berarti bahwa pelanggan industri dan medis dapat mengharapkan pasokan listrik AC/DC generasi baru yang sesuai dengan penutup yang jauh lebih kecil dengan pembangkitan panas yang minimal. Karena GaN sangat cocok untuk topologi low-EMI, resonansi yang sangat efisien, atau fly back aktif-clamp, banyak catu daya besar akan diganti dengan desain baru yang ramping yang berarti bahwa produk masa depan akan dirancang lebih di sekitar antarmuka pengguna daripada di sekitar catu daya besar.
Misalnya, produk AC/DC berkemampuan GaN generasi berikutnya dari RECOM akan menawarkan catu daya 60W AC/DC dengan ukuran 3”x1.6” alih-alih standar industri 4” x 2”, pengurangan sebesar 40% dalam ukuran untuk output daya yang sama.
Solusi daya SiC & GaN inovatif terbaru yang membuat sistem industri dan otomotif lebih cerdas dan ramah lingkungan
Stefan Obsersriebnig menjawab bahwa membuat hidup lebih mudah, lebih aman, dan lebih hijau adalah misi Infineon. Produk kami sedang dikembangkan untuk mendukung masa depan yang lebih berkelanjutan. Kami menambahkan produk diskrit berbasis SMD baru yang menawarkan pemasangan die yang unggul dan stabilitas siklus termal. Modul berbasis AlN baru diluncurkan dengan SiC. Perangkat 650V sekarang melengkapi penawaran CoolMOS. IPM SiC 1200V pertama di dunia juga diluncurkan. Dunia otomotif berkembang dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Di Infineon, kami melihat kembali 40 tahun kesuksesan dan keahlian yang telah terbukti dalam memasok semikonduktor berkualitas tinggi ke sistem elektronik daya untuk industri otomotif. Salah satu keyakinan inti adalah membuat mobil lebih hijau dan oleh karena itu, Infineon terus berinvestasi dalam teknologi untuk memungkinkan transisi ke kendaraan listrik lebih cepat dan lebih efisien. Solusi berbasis WBG Infineon memungkinkan pengurangan ukuran sistem hingga 80% berkat kepadatan daya yang lebih tinggi, upaya pendinginan yang lebih sedikit, dan jumlah komponen pasif yang lebih sedikit. Pelanggan kami dapat meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi konversi daya. Kedua arah pengoptimalan adalah kuncinya, terutama di segmen kendaraan listrik di mana efisiensi yang lebih tinggi dapat memperpanjang jangkauan mengemudi dan kepadatan daya menyederhanakan desain dan memungkinkan baterai berkapasitas lebih tinggi untuk dipasang di bodi yang sama.
Elektronik daya berbasis SiC untuk inverter utama xEV dan Elektronik pengisian daya (konverter OBC + HV DC-DC) semakin cepat; ini terutama berlaku pada segmentasi mobil premium hari ini dan kelas volume otomotif besok. Untuk mengaktifkan elektronika daya hijau, Infineon berinvestasi dalam portofolio produk yang luas dari penawaran SiC – solusi berbasis SiC 750 V dan 1200 V. Di sektor otomotif, portofolio diperluas dengan produk berbasis MOSFET lebih lanjut dan solusi hybrid. GaN mungkin menjadi penerus SiC yang potensial untuk memungkinkan kepadatan daya yang lebih tinggi di masa depan, dan oleh karena itu Infineon juga akan mengembangkan solusi berbasis GaN untuk domain otomotif.
Steve Roberts menjawab dengan mengejutkan bahwa Transistor SiC dan GaN beralih lebih cepat, lebih bersih, dan memiliki kinerja termal yang lebih baik secara keseluruhan daripada IGBT (SiC melalui kimianya – silikon karbida memiliki konduktivitas termal sekitar 3.5 kali lebih baik daripada Silikon, dan GaN melalui kerugian yang sangat rendah dan SMD yang efisien kemasan), tetapi untuk banyak aplikasi, MOSFET super-junction dan IGBT masih menawarkan kinerja yang dapat diterima dengan harga yang jauh lebih rendah. Jadi, untuk banyak aplikasi industri yang sensitif terhadap harga, teknologi berbasis silikon masih memiliki keunggulan dibandingkan bahan kimia baru; untuk saat ini, setidaknya.
Selain itu, karena transistor WBG masih dalam pengembangan awal, teknologi IGBT yang lebih matang menawarkan tegangan dan arus switching yang lebih tinggi daripada pesaingnya yang lebih muda:
Namun, ada beberapa aplikasi utama di mana keunggulan kinerja WBG sangat penting: Kendaraan listrik (EV) memerlukan efisiensi yang lebih tinggi (frekuensi switching yang lebih tinggi) dan kinerja termal yang lebih baik (kerugian switching yang lebih rendah) daripada yang tersedia saat ini dari teknologi berbasis Silicon.
Efisiensi keseluruhan EV plug-in saat ini sekitar 60% (konversi daya listrik menjadi energi kinetik kendaraan). WBG menawarkan prospek peningkatan kontrol daya dan efisiensi pengisian baterai sehingga efisiensi keseluruhan meningkat menjadi 72%. Ini menunjukkan peningkatan jangkauan efektif lebih dari 20% tanpa mengubah teknologi baterai yang ada. Prospek aplikasi EV volume tinggi ini sangat menarik untuk teknologi SiC dan GaN.
Namun, ada beberapa aplikasi utama di mana keunggulan kinerja WBG sangat penting: Kendaraan listrik (EV) memerlukan efisiensi yang lebih tinggi (frekuensi switching yang lebih tinggi) dan kinerja termal yang lebih baik (kerugian switching yang lebih rendah) daripada yang tersedia saat ini dari teknologi berbasis Silicon.
Penulis Kontributor:
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaApakah Bahan Bakar Hidrogen Masa Depan?
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaBentuk Pabrik Kami: Manufaktur di Era Pasca-Pandemi