Perkembangan inovatif dalam elektronik kuasa milik teknologi utama masa depan untuk meningkatkan kecekapan sistem serta prestasi dalam aplikasi automotif dan penjimatan tenaga. Silikon adalah bahan utama untuk suis elektronik selama beberapa dekad. Proses fabrikasi yang maju dan reka bentuk peranti elektronik yang canggih telah mengoptimumkan prestasi peranti elektronik silikon hampir ke had teorinya. Oleh itu, untuk meningkatkan prestasi sistem, bahan baru yang menunjukkan sifat fizikal dan kimia di luar silikon perlu diterokai. Sebilangan besar semikonduktor jurang lebar seperti silikon karbida, gallium nitrida, gallium oksida, dan berlian menunjukkan ciri-ciri yang luar biasa yang dapat membuka jalan ke tahap prestasi baru.
Wartawan ELE Times Sheeba Chauhan mengadakan wawancara eksklusif dengan Stefan Obersriebnig, Ketua High Line Produk voltan Penukaran Kuasa Infineon & sensor Bahagian Sistem, dan Steve Roberts, Pengurus Inovasi RECOM Power. Interaksi ini merangkumi terutamanya mengenai elektronik kuasa di Semikonduktor dan beberapa teknologi utama di hadapan.
Inisiatif Kuasa Pintar baharu berdasarkan GaN teknologi
Bercakap tentang Stefan Obsersriebnig yang sama, ketua lini Produk Infineon mengatakan bahawa GaN menawarkan kemungkinan teknologi untuk mengintegrasikan komponen kuasa voltan tinggi seperti HEMT biasa dan peranti periferal voltan rendah seperti pemacu gerbang, peralihan tahap, litar arus dan arus voltan ke satu mati dengan proses fabrikasi yang sama. Ini membolehkan membuat peranti yang sangat bersepadu dan menyediakan semua litar yang diperlukan dalam satu pakej untuk ketumpatan kuasa tertinggi dan kemudahan penggunaan dengan tingkah laku "digital in, power out".
Walaupun Steve Roberts, Pengurus Inovasi RECOM Power menjawab, Smart Power dapat merujuk kepada cara-cara mengurus sumber yang ada dengan bijak untuk mengelakkan kemiskinan tenaga, terutama di kawasan luar bandar. Istilah ini juga digunakan untuk menggambarkan menguruskan pengagihan kuasa di bandar-bandar besar dan kilang-kilang besar untuk mengelakkan gangguan grid dan beban berlebihan. Walau bagaimana pun, pengimbangan sumber tenaga yang terhad memerlukan peralihan kuasa dengan cekap. Teknologi GaN sangat penting untuk konsep ini kerana membolehkan bekalan kuasa dibuat dengan kecekapan menghampiri 99%.
Teknologi SiC dan GaN mendorong inovasi dan kecekapan dalam elektronik kuasa esok
Stefan Obsersriebnig menjawab bahawa SiC dan GaN adalah semikonduktor jalur lebar lebar yang membolehkan medan elektrik yang lebih tinggi dalam peranti dan lapisan yang lebih nipis dengan doping yang lebih tinggi untuk menyekat voltan. Ini mengurangkan kawasan yang diperlukan untuk daya tahan tertentu, yang menurunkan kapasitansi parasit. Hasilnya, SiC dan terutama GaN dapat beroperasi pada frekuensi pensuisan yang jauh lebih tinggi daripada rakan-rakan Si mereka. Ini membawa kepada komponen pasif yang lebih kecil dan ketumpatan daya yang lebih tinggi dari sistem elektronik kuasa. Selanjutnya, kerana di SiC dan GaN tidak ada pembawa minoriti yang terlibat dalam fasa pengaliran, peranti ini juga dapat diubah. Ini bererti skema kawalan baru menjadi mungkin, misalnya, menggunakan campuran pertukaran keras dan lembut atas beban dan / atau julat voltan input dan output. Ini menawarkan tahap kebebasan baru bagi pereka sistem elektronik kuasa dan kecekapan yang lebih tinggi dengan memilih skema modulasi yang optimum untuk setiap titik operasi.
Oleh itu, untuk menghidupkan (meningkatkan) GaN HEMT, wilayah penipisan perlu "dibatalkan" dengan menerapkan voltan kecil ke pintu gerbang, membebaskan hubungan antara sumber dan longkang. Ini berlaku dengan pantas menjadikan kelajuan pertukaran dari 100 kHz hingga ke wilayah MHz mudah direalisasikan.
Untuk aplikasi ketenteraan atau ruang angkasa, RadHard yang melekat keupayaan GaN sisi atas pembinaan Si / SiC menegak juga merupakan faktor penarik utama.
Transistor SiC serupa dengan Si- konvensionalmosfet, tetapi gunakan silikon karbida dan bukannya substrat silikon. SiC mempunyai voltan pemecahan yang jauh lebih tinggi sehingga setiap lapisan dapat dibuat lebih tipis, mengurangkan kapasitansi beralih dan meningkatkan kemampuan pengendalian semasa. Oleh itu SiC-mosfet bertukar lebih cepat dan dengan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi daripada Si-MOSFET Transistor.
Sejauh mana semikonduktor bandgap lebar membentuk masa depan elektronik kuasa?
Stefan Obsersriebnig menjawab bahawa semikonduktor bandgap lebar membolehkan melanggar halangan prestasi sistem Si yang ada. Kecekapan dan ketumpatan daya didorong ke tahap baru, dan juga aplikasi baru diaktifkan. Mereka memainkan peranan penting dalam elektrifikasi dan de-karbonisasi kehidupan kita, kerana bukan sahaja lebih sedikit tenaga dibazirkan semasa proses penukaran, tetapi juga tahap daya yang lebih tinggi dapat diproses dalam ruang yang lebih sedikit. Sebagai intinya, masa depan elektronik kuasa sangat dibentuk oleh semikonduktor lebar jalur lebar kerana mereka membuka vektor penyelidikan baru ke dalam topologi maju, skema modulasi dan kawalan, konsep integrasi, kaedah penyaringan, dan banyak lagi.
Semikonduktor penyelesaian daripada Infineon menyokong aliran yang stabil dan cekap dengan kerugian yang dikurangkan, sekali gus memaksimumkan kecekapan sepanjang rantaian kuasa, semuanya pada piawaian berkualiti tinggi untuk kebolehpercayaan tertinggi dan kemampanan yang lebih baik.
Penyelesaian tenaga terkini untuk aplikasi industri dan automotif
Stefan Obsersriebnig menjawab bahawa domain perindustrian, Infineon baru-baru ini telah memperkenalkan kepada pasaran generasi silikon baharu seperti IGBT7 atau CoolMOS 7. Platform pakej baharu seperti EASY 3B telah ditambah, memperluaskan skop untuk modul tanpa plat asas terbenam PCB kuasa. Tambahan pula, pakej kuasa seperti QDPAK telah dilancarkan untuk membentuk trend penyejukan bahagian atas. Di sebelah tawaran Si kami, jurang jalur yang luas berkembang dengan ketara. Sebagai satu contoh, gabungan pintar cip silikon dan silikon karbida dilancarkan, menawarkan penyelesaian prestasi katil bayi yang optimum kepada pelanggan, contohnya dalam topologi ANPC. Tambahan pula, Infineon melancarkan rangkaian luas peranti diskret CoolSiC 650 V. Selain itu, portfolio produk CoolGaN 600 V yang menarik menangani aplikasi dan pelanggan yang menuntut kecekapan unggul terutamanya dalam kombinasi dengan ketumpatan kuasa muktamad.
WBG dalam aplikasi automotif juga berada dalam titik fokus Infineon. Pada pameran perdagangan PCIM maya tahun ini, Infineon juga telah mempersembahkan HybridPACK Drive CoolSiC baharu, jambatan penuh modul dengan voltan penyekat 1200 V dioptimumkan untuk penyongsang daya tarikan dalam kenderaan elektrik. Modul kuasa adalah berdasarkan teknologi MOSFET parit CoolSiC automotif untuk ketumpatan kuasa tinggi dan aplikasi berprestasi tinggi. Ini menawarkan kecekapan yang lebih tinggi dalam penyongsang dengan julat yang lebih panjang dan kos bateri yang lebih rendah, terutamanya untuk kenderaan dengan sistem bateri 800 V dan kapasiti bateri yang lebih besar. Selain itu, penyelesaian semikonduktor kuasa dan IC kawalan pintar kami membolehkan pengoptimuman berbilang sasaran untuk pengurangan kos sistem, peningkatan ketumpatan kuasa, kecekapan aplikasi yang lebih tinggi dan sistem modular— menyokong topologi pilihan anda. Semikonduktor, terutamanya yang dihasilkan oleh Infineon, boleh memainkan peranan penting dalam membina kecekapan tenaga dalam semua fasa rantaian bekalan tenaga, terutamanya dalam kenderaan elektrik.
Dengan meminimumkan kehilangan kuasa dan memaksimumkan penjimatan kuasa, mereka meningkatkan prestasi keseluruhan kenderaan hibrid dan elektrik. Teknologi utama kami yang luas, termasuk berasaskan Si seperti IGBT dan SJ MOSFET, menangani segmen prestasi kos di mana penyelesaian WBG berdasarkan SiC hari ini dan GaN pada masa akan datang akan membolehkan pengoptimuman prestasi tinggi di pihak pelanggan.
Steve Roberts mengatakan bahawa dalam jangka masa panjang, teknologi GaN juga akan menawarkan penurunan besar dalam dimensi bekalan kuasa AC. Ketumpatan kuasa 40W / in² sudah dikembangkan, dua kali atau tiga kali ganda ketumpatan kuasa dari teknologi berasaskan Si konvensional. Ini bermaksud bahawa pelanggan industri dan perubatan dapat mengharapkan bekalan kuasa AC / DC generasi baru yang sesuai dengan kandang yang jauh lebih kecil dengan penjanaan haba yang minimum. Oleh kerana GaN sangat sesuai untuk topologi EMI rendah, resonan yang sangat cekap, atau penjepit aktif, banyak bekalan kuasa besar akan digantikan dengan reka bentuk baru yang ramping yang bermaksud bahawa produk masa depan akan dirancang lebih banyak di sekitar antara muka pengguna daripada di sekitar bekalan kuasa besar.
Contohnya, produk AC / DC berkemampuan GaN generasi berikutnya RECOM akan menawarkan bekalan kuasa 60W AC / DC dengan jejak 3 "x1.6" dan bukannya standard industri "4 x 2", pengurangan 40% dalam ukuran untuk output kuasa yang sama.
Penyelesaian kuasa SiC & GaN inovatif terkini yang menjadikan sistem perindustrian dan automotif lebih pintar dan hijau
Stefan Obsersriebnig menjawab bahawa menjadikan hidup lebih mudah, lebih selamat, dan lebih hijau adalah misi Infineon. Produk kami dikembangkan untuk menyokong masa depan yang lebih lestari. Kami menambah produk diskrit berasaskan SMD baru yang menawarkan kestabilan die attach dan kitar panas termal yang unggul. Modul berasaskan AlN baru dilancarkan dengan SiC. Peranti 650V kini melengkapkan penawaran CoolMOS. IPM 1200C SiC pertama di seluruh dunia dilancarkan juga. Dunia automotif berkembang dengan kadar yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Di Infineon, kami melihat kembali kejayaan selama 40 tahun dan kepakaran yang terbukti dalam membekalkan semikonduktor berkualiti tinggi ke sistem elektronik berkuasa untuk industri automotif. Salah satu kepercayaan utamanya ialah menjadikan kereta lebih hijau dan oleh itu, Infineon terus melabur dalam teknologi untuk membolehkan peralihan ke kenderaan elektrik lebih cepat dan lebih efisien. Penyelesaian berasaskan Infineon WBG memungkinkan pengurangan saiz sistem sehingga 80% berkat ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, usaha penyejukan yang lebih sedikit, dan bilangan komponen pasif yang lebih rendah. Pelanggan kami dapat meningkatkan ketumpatan kuasa dan kecekapan penukaran kuasa. Kedua-dua arah pengoptimuman adalah kuncinya, terutama dalam segmen kenderaan elektrik di mana kecekapan yang lebih tinggi dapat memperluas jarak pemanduan dan kepadatan kuasa menyederhanakan reka bentuk dan membolehkan bateri berkapasiti lebih tinggi dipasang di badan yang sama.
Elektronik kuasa berasaskan SiC untuk penyongsang utama xEV dan elektronik Pengecasan (penukar OBC + HV DC-DC) mempercepat; ini benar terutamanya dalam segmentasi kereta premium hari ini dan automotif kelas volum esok. Untuk mengaktifkan elektronik kuasa hijau, Infineon melabur dalam portfolio produk yang luas dari penawaran SiC - penyelesaian berasaskan SiC 750 V dan 1200 V. Di sektor automotif, portfolio diperluas oleh produk berasaskan berasaskan MOSFET dan penyelesaian hibrid. GaN mungkin merupakan pengganti berpotensi SiC untuk memungkinkan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi di masa depan, dan oleh itu Infineon akan mengembangkan juga penyelesaian berasaskan GaN untuk domain automotif.
Steve Roberts menjawab dengan mengejutkan bahawa Kedua-dua transistor SiC dan GaN beralih lebih cepat, lebih bersih dan mempunyai prestasi terma secara keseluruhan lebih baik daripada IGBT (SiC melalui kimia - silikon karbida mempunyai kekonduksian terma kira-kira 3.5 kali lebih baik daripada Silicon, dan GaN melalui kerugian yang sangat rendah dan SMD yang cekap pembungkusan), tetapi untuk banyak aplikasi, MOSFET super-simpang dan IGBT masih menawarkan prestasi yang boleh diterima dengan harga yang jauh lebih rendah. Oleh itu, untuk banyak aplikasi industri yang sensitif terhadap harga, teknologi berasaskan silikon masih mempunyai kelebihan berbanding kimia baru; sekurang-kurangnya buat masa ini.
Tambahan pula, kerana transistor WBG masih dalam pengembangan awal, teknologi IGBT yang lebih matang menawarkan voltan dan arus pensuisan yang lebih tinggi daripada pesaingnya yang lebih muda:
Walau bagaimanapun, terdapat beberapa aplikasi utama di mana kelebihan prestasi WBG sangat penting: Kenderaan elektrik (EV) memerlukan kecekapan yang lebih tinggi (frekuensi pensuisan yang lebih tinggi) dan prestasi terma yang lebih baik (kerugian beralih yang lebih rendah) daripada yang ada pada masa ini dari teknologi berasaskan Silikon.
Kecekapan keseluruhan plug-in EV pada masa ini sekitar 60% (penukaran kuasa utama ke tenaga kinetik kenderaan). WBG menawarkan prospek untuk meningkatkan kawalan kuasa dan kecekapan pengecasan bateri sehingga keseluruhan kecekapan meningkat menjadi 72%. Ini menunjukkan peningkatan julat yang berkesan lebih dari 20% tanpa mengubah teknologi bateri yang ada. Prospek aplikasi EV bervolume tinggi ini sangat menarik untuk teknologi SiC dan GaN.
Walau bagaimanapun, terdapat beberapa aplikasi utama di mana kelebihan prestasi WBG sangat penting: Kenderaan elektrik (EV) memerlukan kecekapan yang lebih tinggi (frekuensi pensuisan yang lebih tinggi) dan prestasi terma yang lebih baik (kerugian beralih yang lebih rendah) daripada yang ada pada masa ini dari teknologi berasaskan Silikon.
Pengarang Penyumbang:
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaAdakah Bahan Bakar Hidrogen Masa Depan?
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaBentuk Kilang Kami: Pembuatan di Era Pasca-Pandemik