전력 전자공학의 혁신적인 발전은 자동차 및 에너지 절약 애플리케이션의 성능과 시스템 효율성을 높이기 위한 미래의 핵심 기술에 속합니다. 실리콘은 수십 년 동안 전자 스위치의 주요 재료였습니다. 고급 제조 공정과 정교한 전자 장치 설계는 실리콘 전자 장치 성능을 이론적인 한계까지 최적화했습니다. 따라서 시스템 성능을 높이려면 실리콘을 넘어 물리적, 화학적 특성을 나타내는 새로운 재료를 탐색해야 합니다. 탄화규소, 질화갈륨, 산화갈륨 및 다이아몬드와 같은 다수의 넓은 밴드갭 반도체는 새로운 성능 수준으로 가는 길을 열 수 있는 뛰어난 특성을 나타냅니다.
ELE Times 특파원 Sheeba Chauhan은 Product Line Head High인 Stefan Obersriebnig와 독점 인터뷰를 했습니다. 전압 인피니언의 전력 변환 및 감지기 시스템 사업부와 RECOM Power의 혁신 관리자인 Steve Roberts. 이 상호 작용은 주로 전력 전자 장치에 대해 다룹니다. 반도체 그리고 몇 가지 주요 기술이 앞서 있습니다.
GaN을 기반으로 한 새로운 스마트 파워 이니셔티브 technology
Infineon의 제품 라인 책임자인 Stefan Obsersriebnig는 GaN이 정상 오프 HEMT와 같은 고전압 전력 구성 요소와 게이트 드라이버, 레벨 시프트, 전류 및 전압 감지 회로와 같은 저전압 주변 장치를 하나로 통합할 수 있는 기술적 가능성을 제공한다고 말했습니다. 같은 제조 공정으로 죽습니다. 이를 통해 "디지털 입력, 전원 출력" 동작으로 최고의 전력 밀도와 사용 편의성을 위해 단일 패키지 내에서 고도로 통합되고 필요한 모든 회로를 제공하는 장치를 만들 수 있습니다.
RECOM Power의 혁신 관리자인 Steve Roberts가 응답하는 동안 Smart Power는 특히 농촌 지역에서 에너지 빈곤을 피하기 위해 기존 자원을 영리하게 관리하는 방법을 참조할 수 있습니다. 이 용어는 또한 그리드 중단 및 과부하를 피하기 위해 대도시 및 대규모 공장의 배전 관리를 설명하는 데 사용됩니다. 어느 쪽이든 제한된 에너지 자원의 균형을 맞추려면 효율적으로 전력을 이동해야 합니다. GaN 기술은 99%에 가까운 효율로 전원 공급 장치를 만들 수 있기 때문에 이 개념에 매우 중요합니다.
SiC 및 GaN 기술은 미래의 전력 전자 제품에서 혁신과 효율성을 주도합니다.
Stefan Obsersriebnig는 SiC와 GaN이 장치에서 더 높은 전기장을 가능하게 하고 전압을 차단하기 위해 더 높은 도핑으로 더 얇은 층을 가능하게 하는 와이드 밴드갭 반도체라고 응답했습니다. 이는 주어진 온 저항에 필요한 면적을 줄여 기생 커패시턴스를 감소시킵니다. 결과적으로 SiC, 특히 GaN은 Si보다 훨씬 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있습니다. 이것은 전력 전자 시스템의 더 작은 수동 부품과 더 높은 전력 밀도로 이어집니다. 또한 SiC 및 GaN에서는 전도 단계에 소수 캐리어가 관여하지 않기 때문에 이러한 장치는 하드 스위치될 수도 있습니다. 이는 예를 들어 부하 및/또는 입력 및 출력 전압 범위에서 하드 스위칭과 소프트 스위칭을 혼합하여 사용하는 새로운 제어 방식이 가능하다는 것을 의미합니다. 이는 전력 전자 시스템 설계자에게 새로운 자유도를 제공하고 각 작동 지점에 대한 최적의 변조 방식을 선택하여 효율성을 높입니다.
따라서 GaN HEMT를 켜기(향상)하려면 게이트에 작은 전압을 인가하고 소스와 드레인 사이의 연결을 차단 해제하여 공핍 영역을 "취소"해야 합니다. 이것은 매우 빠르게 발생하여 100kHz에서 최대 MHz 영역까지의 스위칭 속도를 쉽게 실현할 수 있습니다.
군사 또는 우주 애플리케이션의 경우 수직 Si/SiC 구조에 대한 측면 GaN의 고유한 RadHard 내성 능력도 주요 견인 요인입니다.
SiC 트랜지스터는 기존의 Si-MOSFET, 그러나 실리콘 기판 대신 실리콘 카바이드를 사용합니다. SiC는 훨씬 더 높은 항복 전압을 가지므로 개별 레이어를 더 얇게 만들 수 있어 스위칭 커패시턴스를 줄이고 전류 처리 능력을 높일 수 있습니다. 따라서 SiC-이끼 동등한 Si-보다 더 빠르고 더 높은 전력 밀도로 전환합니다.MOSFET 트랜지스터.
얼마나 넓은 밴드갭 반도체가 전력 전자의 미래를 형성하고 있습니까?
Stefan Obsersriebnig는 넓은 밴드갭 반도체가 기존 Si 시스템의 성능 장벽을 깨뜨릴 수 있다고 대답했습니다. 효율성과 전력 밀도가 새로운 수준으로 향상되고 새로운 애플리케이션도 활성화됩니다. 변환 과정에서 더 적은 에너지가 낭비될 뿐만 아니라 더 적은 공간에서 더 높은 전력 수준을 처리할 수 있기 때문에 우리 삶의 전기화 및 탈탄소화에 중요한 역할을 합니다. 결론적으로, 전력 전자의 미래는 고급 토폴로지, 변조 및 제어 체계, 통합 개념, 필터링 방법 등에 대한 새로운 연구 벡터를 열어주기 때문에 광대역 갭 반도체에 의해 크게 형성됩니다.
반도체 Infineon의 솔루션은 손실을 줄인 안정적이고 효율적인 흐름을 지원하여 전력 체인을 따라 효율성을 극대화합니다. 이 모든 것이 최고의 신뢰성과 향상된 지속 가능성을 위한 고품질 표준에서 이루어집니다.
산업 및 자동차 애플리케이션을 위한 최신 전력 솔루션
Stefan Obsersriebnig는 산업 영역에서 Infineon이 최근 다음과 같은 새로운 세대의 실리콘을 시장에 출시했다고 응답했습니다. IGBT7 또는 CoolMOS 7. EASY 3B와 같은 새로운 패키지 플랫폼이 추가되어 베이스플레이트가 없는 전력 PCB 임베디드 모듈의 범위가 확장되었습니다. 또한 QDPAK과 같은 전원 패키지가 출시되어 상단 냉각 추세를 형성하고 있습니다. Si 제품 다음으로 넓은 밴드갭이 크게 성장하고 있습니다. 일례로, 실리콘과 실리콘 카바이드 칩의 스마트한 조합이 출시되어 고객에게 최적의 유아용 침대 성능 솔루션(예: ANPC 토폴로지)을 제공합니다. 또한 Infineon은 광범위한 CoolSiC 650V 개별 장치를 출시했습니다. 무엇보다도, 강력한 CoolGaN 600V 제품 포트폴리오는 특히 최고의 전력 밀도와 함께 뛰어난 효율성을 요구하는 애플리케이션과 고객을 대상으로 합니다.
자동차 애플리케이션의 WBG 역시 인피니언의 핵심입니다. 올해 가상 PCIM 전시회에서 인피니언은 풀 브리지인 새로운 HybridPACK 드라이브 CoolSiC도 선보였습니다. 모듈 전기 자동차의 트랙션 인버터에 최적화된 1200V 차단 전압을 제공합니다. 전력 모듈은 고전력 밀도 및 고성능 애플리케이션을 위한 자동차 CoolSiC 트렌치 MOSFET 기술을 기반으로 합니다. 이는 특히 800V 배터리 시스템과 더 큰 배터리 용량을 갖춘 차량의 경우 더 긴 범위와 더 낮은 배터리 비용을 갖춘 인버터에서 더 높은 효율성을 제공합니다. 또한 당사의 전력 반도체 솔루션과 스마트 제어 IC는 시스템 비용 절감, 전력 밀도 증가, 애플리케이션 효율성 향상 및 모듈식 시스템을 위한 다중 대상 최적화를 지원하여 선호하는 토폴로지를 지원합니다. 반도체, 특히 인피니언이 생산하는 반도체는 에너지 공급망의 모든 단계, 특히 전기 자동차에서 에너지 효율성을 구축하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.
전력 손실을 최소화하고 절전을 극대화하여 하이브리드 및 전기 자동차의 전반적인 성능을 향상시킵니다. IGBT 및 SJ MOSFET과 같은 Si 기반을 포함한 당사의 광범위한 핵심 기술은 현재 SiC 및 미래의 GaN 기반 WBG 솔루션이 고객 측에서 고성능 최적화를 가능하게 하는 비용 성능 부문을 다루고 있습니다.
Steve Roberts는 장기적으로 GaN 기술이 AC 전원 공급 장치의 크기를 크게 줄일 것이라고 말했습니다. 40W/in²의 전력 밀도가 이미 개발되고 있으며, 이는 기존 Si 기반 기술의 전력 밀도의 두 배 또는 세 배입니다. 이는 산업 및 의료 고객이 열 발생을 최소화하면서 훨씬 더 작은 인클로저에 맞는 차세대 AC/DC 전원 공급 장치를 기대할 수 있음을 의미합니다. GaN은 특히 낮은 EMI, 고효율 공진 또는 능동 클램프 플라이백 토폴로지에 적합하기 때문에 많은 부피가 큰 전원 공급 장치가 세련된 새 디자인으로 대체될 것입니다. 부피가 큰 전원 공급 장치.
예를 들어 RECOM의 차세대 GaN 지원 AC/DC 제품은 60% 감소한 업계 표준 3" x 1.6" 대신 4"x2"의 설치 공간을 갖춘 40W AC/DC 전원 공급 장치를 제공합니다. 동일한 전력 출력에 대한 크기입니다.
산업 및 자동차 시스템을 보다 스마트하고 친환경적으로 만드는 혁신적인 최신 SiC 및 GaN 전원 솔루션
Stefan Obsersriebnig는 삶을 더 쉽고, 안전하고, 친환경적으로 만드는 것이 인피니언의 사명이라고 답했습니다. 당사의 제품은 보다 지속 가능한 미래를 지원하기 위해 개발되고 있습니다. 우리는 우수한 다이 부착 및 열 사이클링 안정성을 제공하는 새로운 SMD 기반 개별 제품을 추가했습니다. 새로운 AlN 기반 모듈은 SiC와 함께 출시됩니다. 650V 장치는 이제 CoolMOS 제품을 보완합니다. 세계 최초의 1200V SiC IPM도 출시되었습니다. 자동차 세계는 전례 없는 속도로 진화하고 있습니다.
인피니언은 자동차 산업을 위한 전력 전자 시스템에 고품질 반도체를 공급한 40년의 성공과 입증된 전문 지식을 되돌아봅니다. 핵심 신념 중 하나는 자동차를 더 친환경적으로 만드는 것이므로 Infineon은 전기 자동차로 더 빠르고 효율적으로 전환할 수 있도록 기술에 지속적으로 투자하고 있습니다. Infineon WBG 기반 솔루션은 더 높은 전력 밀도, 더 적은 냉각 노력, 더 적은 수의 수동 부품 덕분에 시스템 크기를 최대 80%까지 줄일 수 있습니다. 고객은 전력 밀도와 전력 변환 효율을 높일 수 있습니다. 두 가지 최적화 방향이 모두 핵심이며, 특히 고효율로 주행 범위를 확장할 수 있고 전력 밀도가 설계를 단순화하고 동일한 차체에 고용량 배터리를 설치할 수 있는 전기 자동차 부문에서 중요합니다.
xEV 메인 인버터 및 충전 전자 장치(OBC + HV DC-DC 컨버터)를 위한 SiC 기반 전력 전자 장치가 가속화되고 있습니다. 이것은 오늘날의 프리미엄 자동차 세분화와 내일의 양산 자동차 부문에서 특히 그렇습니다. 친환경 전력 전자 제품을 구현하기 위해 Infineon은 750V 및 1200V SiC 기반 솔루션을 제공하는 광범위한 SiC 제품 포트폴리오에 투자하고 있습니다. 자동차 부문에서는 추가 MOSFET 기반 제품과 하이브리드 솔루션으로 포트폴리오를 확장했습니다. GaN은 미래에 더 높은 전력 밀도를 가능하게 하는 SiC의 잠재적인 후속 제품이 될 수 있으므로 Infineon은 자동차 영역을 위한 GaN 기반 솔루션도 개발할 것입니다.
Steve Roberts는 놀랍게도 SiC 및 GaN 트랜지스터가 모두 IGBT보다 더 빠르고 깨끗하며 전반적으로 더 나은 열 성능을 가지고 있다고 대답했습니다(SiC의 화학 - 탄화규소는 실리콘보다 열전도율이 약 3.5배 더 우수하고 GaN은 손실이 매우 낮고 효율적인 SMD). 패키징), 그러나 많은 애플리케이션에서 초접합 MOSFET 및 IGBT는 여전히 훨씬 저렴한 가격으로 수용 가능한 성능을 제공합니다. 따라서 가격에 민감한 많은 산업 응용 분야에서 실리콘 기반 기술은 여전히 새로운 화학 물질보다 우위에 있습니다. 적어도 지금은.
또한 WBG 트랜지스터가 아직 초기 개발 단계에 있기 때문에 보다 성숙한 IGBT 기술은 젊은 경쟁자보다 더 높은 스위칭 전압과 전류를 제공합니다.
그러나 WBG의 성능 이점이 중요한 몇 가지 주요 애플리케이션이 있습니다. 전기 자동차(EV)는 현재 실리콘 기반 기술에서 사용할 수 있는 것보다 더 높은 효율(더 높은 스위칭 주파수)과 더 나은 열 성능(낮은 스위칭 손실)을 필요로 합니다.
플러그인 EV의 전체 효율은 현재 약 60%입니다(주전원을 차량의 운동 에너지로 변환). WBG는 전력 제어 및 배터리 충전 효율을 개선하여 전체 효율을 72%까지 높일 수 있는 가능성을 제공합니다. 이는 기존 배터리 기술을 변경하지 않고도 20% 이상의 유효 범위 증가를 나타냅니다. 대용량 EV 애플리케이션의 이러한 전망은 SiC 및 GaN 기술에 매우 매력적입니다.
그러나 WBG의 성능 이점이 중요한 몇 가지 주요 애플리케이션이 있습니다. 전기 자동차(EV)는 현재 실리콘 기반 기술에서 사용할 수 있는 것보다 더 높은 효율(더 높은 스위칭 주파수)과 더 나은 열 성능(낮은 스위칭 손실)을 필요로 합니다.
기여 저자:
시바 차우한
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시바 차우한https://www.eletimes.com/author/sheeba수소연료는 미래인가?
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시바 차우한https://www.eletimes.com/author/sheeba우리 공장의 형태: 포스트 팬데믹 시대의 제조