Gli sviluppi innovativi nell'elettronica di potenza appartengono alle future tecnologie chiave per aumentare l'efficienza del sistema e le prestazioni nelle applicazioni automobilistiche e di risparmio energetico. Il silicio è da decenni il materiale principale per gli interruttori elettronici. Processi di fabbricazione avanzati e design di dispositivi elettronici sofisticati hanno ottimizzato le prestazioni dei dispositivi elettronici in silicio quasi al limite teorico. Pertanto, per aumentare le prestazioni del sistema, è necessario esplorare nuovi materiali che esibiscono proprietà fisiche e chimiche oltre al silicio. Un certo numero di semiconduttori ad ampia banda proibita come il carburo di silicio, il nitruro di gallio, l'ossido di gallio e il diamante presentano caratteristiche eccezionali che possono aprire la strada a nuovi livelli di prestazioni.
La corrispondente di ELE Times Sheeba Chauhan ha avuto un'intervista esclusiva con Stefan Obersriebnig, Product Line Head High voltaggio Conversione di Infineon Power & sensore System Division e Steve Roberts, Innovation Manager di RECOM Power. Questa interazione copre principalmente l'elettronica di potenza in Semiconduttore e alcune importanti tecnologie future.
La nuova iniziativa Smart Power basata su GaN la tecnologia
Parlando dello stesso Stefan Obsersriebnig, Product line head di Infineon, ha affermato che GaN offre la possibilità tecnologica di integrare componenti di potenza ad alta tensione come HEMT normalmente spenti e dispositivi periferici a bassa tensione come gate driver, level shift, circuiti di rilevamento di corrente e tensione su uno morire con lo stesso processo di fabbricazione. Ciò consente di creare dispositivi altamente integrati e che forniscono tutti i circuiti necessari all'interno di un singolo pacchetto per la massima densità di potenza e facilità d'uso con comportamento "digital in, power out".
Mentre Steve Roberts, Innovation Manager di RECOM Power ha risposto, Smart Power può fare riferimento a modi per gestire in modo intelligente le risorse esistenti per evitare la povertà energetica, specialmente nelle aree rurali. Il termine è anche usato per descrivere la gestione della distribuzione dell'energia nelle grandi città e nelle grandi fabbriche per evitare interruzioni della rete e sovraccarichi. In entrambi i casi, il bilanciamento delle risorse energetiche limitate richiede uno spostamento efficiente dell'energia. La tecnologia GaN è fondamentale per questo concetto perché consente di realizzare alimentatori con efficienze prossime al 99%.
Le tecnologie SiC e GaN guidano l'innovazione e l'efficienza nell'elettronica di potenza di domani
Stefan Obsersriebnig ha risposto che SiC e GaN sono semiconduttori a banda larga che consentono campi elettrici più elevati nei dispositivi e quindi strati più sottili con un maggiore drogaggio per bloccare la tensione. Ciò riduce l'area richiesta per una data resistenza all'inserzione, che diminuisce le capacità parassite. Di conseguenza, SiC e soprattutto GaN possono operare a frequenze di commutazione molto più elevate rispetto alle loro controparti Si. Ciò porta a componenti passivi più piccoli ea densità di potenza più elevate dei sistemi elettronici di potenza. Inoltre, poiché in SiC e GaN non sono coinvolti portatori minoritari nella fase di conduzione, questi dispositivi possono anche essere hard-switched. Ciò significa che diventano possibili nuovi schemi di controllo, che, ad esempio, utilizzano una combinazione di commutazioni hard e soft sul carico e/o sugli intervalli di tensione di ingresso e uscita. Questo offre nuovi gradi di libertà per i progettisti di sistemi elettronici di potenza e maggiori efficienze scegliendo lo schema di modulazione ottimale per ogni punto di lavoro.
Pertanto, per attivare (potenziare) un HEMT GaN, la regione di svuotamento deve essere "cancellata" applicando una piccola tensione al gate, sbloccando la connessione tra source e drain. Ciò avviene MOLTO velocemente, rendendo facilmente realizzabili velocità di commutazione da 100 kHz fino alle regioni MHz.
Per le applicazioni militari o spaziali, anche la capacità di resistenza di RadHard del GaN laterale sulla struttura verticale Si/SiC è un importante fattore di attrazione.
I transistor SiC sono simili ai tradizionali Si-mosfet, ma utilizzare un carburo di silicio anziché un substrato di silicio. Il SiC ha una tensione di rottura molto più alta, quindi i singoli strati possono essere resi più sottili, riducendo la capacità di commutazione e aumentando la capacità di gestione della corrente. Così SiC-mosfet commuta più velocemente e con una densità di potenza maggiore rispetto a un Si- equivalenteMOSFET Transistor.
Quanto i semiconduttori a banda proibita stanno plasmando il futuro dell'elettronica di potenza?
Stefan Obsersriebnig ha risposto che i semiconduttori ad ampio bandgap consentono di abbattere le barriere prestazionali dei sistemi Si esistenti. L'efficienza e la densità di potenza vengono spinte a nuovi livelli e vengono abilitate anche nuove applicazioni. Svolgono un ruolo importante nell'elettrificazione e nella decarbonizzazione delle nostre vite, poiché non solo viene sprecata meno energia durante i processi di conversione, ma anche livelli di potenza più elevati possono essere elaborati in meno spazio. In conclusione, il futuro dell'elettronica di potenza è fortemente modellato dai semiconduttori a banda larga poiché aprono nuovi vettori di ricerca in topologie avanzate, schemi di modulazione e controllo, concetti di integrazione, metodi di filtraggio e altro ancora.
Semiconduttore Le soluzioni Infineon supportano un flusso stabile ed efficiente con perdite ridotte, massimizzando così l'efficienza lungo la catena di alimentazione, il tutto con standard di alta qualità per la massima affidabilità e una migliore sostenibilità.
Le ultime soluzioni di alimentazione per applicazioni industriali e automobilistiche
Stefan Obsersriebnig ha risposto che nel settore industriale, Infineon ha recentemente introdotto sul mercato nuove generazioni di silicio come ad esempio IGBT7 o CoolMOS 7. Sono state aggiunte nuove piattaforme di package come EASY 3B, ampliando la portata dei moduli senza piastra base integrati su PCB di potenza. Inoltre, sono stati lanciati pacchetti di potenza come QDPAK per modellare la tendenza del raffreddamento del lato superiore. Accanto alla nostra offerta Si, l’ampio gap di banda sta crescendo notevolmente. Ad esempio, vengono lanciate combinazioni intelligenti di chip di silicio e carburo di silicio, offrendo al cliente una soluzione con prestazioni ottimali, ad esempio nella topologia ANPC. Inoltre, Infineon ha lanciato un'ampia gamma di dispositivi discreti CoolSiC 650 V. Inoltre, un interessante portafoglio di prodotti CoolGaN 600 V si rivolge a quelle applicazioni e a quei clienti che richiedono un'efficienza superiore, soprattutto in combinazione con la massima densità di potenza.
Anche il WBG nelle applicazioni automobilistiche è il punto focale di Infineon. Alla fiera virtuale PCIM di quest'anno, Infineon ha presentato anche il nuovo HybridPACK Drive CoolSiC, un full-bridge modulo con tensione di blocco di 1200 V ottimizzata per gli inverter di trazione dei veicoli elettrici. Il modulo di potenza si basa sulla tecnologia MOSFET trench CoolSiC del settore automobilistico per applicazioni ad alta densità di potenza e ad alte prestazioni. Ciò offre una maggiore efficienza negli inverter con autonomia più lunga e costi della batteria inferiori, in particolare per i veicoli con sistemi di batterie da 800 V e capacità della batteria maggiore. Inoltre, le nostre soluzioni di semiconduttori di potenza e i circuiti integrati di controllo intelligente consentono l'ottimizzazione multi-target per la riduzione dei costi di sistema, una maggiore densità di potenza, una maggiore efficienza delle applicazioni e sistemi modulari, supportando la tua topologia preferita. I semiconduttori, in particolare quelli prodotti da Infineon, possono svolgere un ruolo fondamentale nella costruzione dell’efficienza energetica in tutte le fasi della catena di approvvigionamento energetico, soprattutto in un veicolo elettrificato.
Riducendo al minimo le perdite di potenza e massimizzando il risparmio energetico, aumentano le prestazioni complessive dei veicoli ibridi ed elettrici. Le nostre ampie tecnologie chiave, comprese quelle basate su Si come i MOSFET IGBT e SJ, si rivolgono al segmento costo-prestazioni in cui le soluzioni WBG basate su SiC oggi e GaN in futuro consentiranno l'ottimizzazione ad alte prestazioni dal lato del cliente.
Steve Roberts ha affermato che a lungo termine, la tecnologia GaN offrirà anche enormi riduzioni delle dimensioni dell'alimentatore CA. Sono già in fase di sviluppo densità di potenza di 40 W/in², il doppio o il triplo delle densità di potenza delle tecnologie convenzionali basate sul silicio. Ciò significa che i clienti industriali e medicali possono aspettarsi una nuova generazione di alimentatori AC/DC che si inseriscono in contenitori molto più piccoli con una generazione di calore minima. Poiché GaN è particolarmente adatto per topologie flyback a bassa EMI, risonante ad alta efficienza o active clamp, molti alimentatori ingombranti verranno sostituiti con nuovi design eleganti, il che significa che i prodotti futuri saranno progettati più intorno all'interfaccia utente che intorno al alimentatore ingombrante.
Ad esempio, i prodotti CA/CC abilitati GaN di nuova generazione di RECOM offriranno un alimentatore CA/CC da 60 W con un ingombro di 3"x1.6" invece dello standard di settore 4"x2", una riduzione del 40% di dimensioni a parità di potenza.
Le ultime innovative soluzioni di alimentazione SiC e GaN che rendono i sistemi industriali e automobilistici più intelligenti ed ecologici
Stefan Obsersriebnig ha risposto che rendere la vita più facile, più sicura e più ecologica è la missione di Infineon. I nostri prodotti vengono sviluppati per supportare un futuro più sostenibile. Abbiamo aggiunto nuovi prodotti discreti basati su SMD che offrono un attacco die superiore e stabilità del ciclo termico. Vengono lanciati nuovi moduli basati su AlN con SiC. I dispositivi da 650 V completano ora l'offerta CoolMOS. È stato lanciato anche il primo IPM SiC da 1200 V al mondo. Il mondo automobilistico si sta evolvendo a un ritmo senza precedenti.
In Infineon, abbiamo alle spalle 40 anni di successi e comprovata esperienza nella fornitura di semiconduttori di alta qualità per alimentare i sistemi elettronici per l'industria automobilistica. Una delle convinzioni fondamentali è rendere le auto più ecologiche e, pertanto, Infineon investe continuamente in tecnologie per consentire la transizione ai veicoli elettrificati in modo più rapido ed efficiente. Le soluzioni basate su Infineon WBG consentono di ridurre le dimensioni del sistema fino all'80% grazie a una maggiore densità di potenza, minore sforzo di raffreddamento e un numero inferiore di componenti passivi. I nostri clienti possono aumentare la densità di potenza e l'efficienza della conversione di potenza. Entrambe le direzioni di ottimizzazione sono la chiave, specialmente in un segmento di veicoli elettrificati in cui una maggiore efficienza può estendere l'autonomia di guida e la densità di potenza semplifica il design e consente l'installazione di batterie di capacità maggiore nello stesso corpo.
L'elettronica di potenza basata su SiC per l'inverter principale xEV e l'elettronica di ricarica (convertitore DC-DC OBC + HV) sta accelerando; questo è particolarmente vero nella segmentazione delle auto premium oggi e nel settore automobilistico domani. Per abilitare l'elettronica di potenza ecologica, Infineon sta investendo in un ampio portafoglio di prodotti di offerta SiC: soluzioni basate su SiC da 750 V e 1200 V. Nel settore automobilistico, il portafoglio è stato ampliato con ulteriori prodotti basati su MOSFET e soluzioni ibride. GaN potrebbe essere un potenziale successore del SiC per consentire una densità di potenza ancora maggiore in futuro, e quindi Infineon svilupperà anche soluzioni basate su GaN per il settore automobilistico.
Steve Roberts ha risposto in modo sorprendente che sia i transistor SiC che GaN commutano più velocemente, più puliti e hanno prestazioni termiche complessivamente migliori rispetto agli IGBT (SiC grazie alla sua chimica: il carburo di silicio ha una conduttività termica circa 3.5 volte migliore del silicio e GaN grazie alle sue perdite molto basse e all'efficiente SMD packaging), ma per molte applicazioni, MOSFET e IGBT a supergiunzione offrono ancora prestazioni accettabili a un prezzo molto più basso. Quindi, per molte applicazioni industriali sensibili al prezzo, le tecnologie basate sul silicio hanno ancora un vantaggio rispetto alle nuove chimiche; per ora, almeno.
Inoltre, poiché i transistor WBG sono ancora in fase di sviluppo iniziale, la tecnologia IGBT più matura offre tensioni e correnti di commutazione più elevate rispetto ai suoi rivali più giovani:
Tuttavia, ci sono diverse applicazioni chiave in cui i vantaggi prestazionali del WBG sono cruciali: i veicoli elettrici (EV) richiedono una maggiore efficienza (maggiore frequenza di commutazione) e migliori prestazioni termiche (minori perdite di commutazione) rispetto a quelle attualmente disponibili dalle tecnologie a base di silicio.
L'efficienza complessiva di un veicolo elettrico plug-in è attualmente di circa il 60% (conversione dell'energia di rete in energia cinetica del veicolo). WBG offre la prospettiva di migliorare il controllo dell'alimentazione e l'efficienza di carica della batteria in modo che l'efficienza complessiva aumenti al 72%. Ciò rappresenta un aumento effettivo dell'autonomia di oltre il 20% senza modificare la tecnologia della batteria esistente. Questa prospettiva di applicazioni EV ad alto volume è molto interessante per le tecnologie SiC e GaN.
Tuttavia, ci sono diverse applicazioni chiave in cui i vantaggi prestazionali del WBG sono cruciali: i veicoli elettrici (EV) richiedono una maggiore efficienza (maggiore frequenza di commutazione) e migliori prestazioni termiche (minori perdite di commutazione) rispetto a quelle attualmente disponibili dalle tecnologie a base di silicio.
Autore collaboratore:
Sheeba Chauhan
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