De innovatieve ontwikkelingen in vermogenselektronica behoren tot de toekomstige sleuteltechnologieën om zowel de systeemefficiëntie als de prestaties in automobiel- en energiebesparende toepassingen te verhogen. Silicium is al tientallen jaren het belangrijkste materiaal voor elektronische schakelaars. Geavanceerde fabricageprocessen en geavanceerde ontwerpen van elektronische apparaten hebben de prestaties van elektronische apparaten van silicium bijna tot hun theoretische limiet geoptimaliseerd. Om de systeemprestaties te verbeteren, moeten daarom nieuwe materialen worden onderzocht die fysieke en chemische eigenschappen vertonen die verder gaan dan silicium. Een aantal halfgeleiders met een brede bandgap, zoals siliciumcarbide, galliumnitride, galliumoxide en diamant, vertonen uitstekende eigenschappen die de weg kunnen banen naar nieuwe prestatieniveaus.
Correspondent Sheeba Chauhan van ELE Times had een exclusief interview met Stefan Obersriebnig, Product Line Head High spanning Conversie van Infineon's Power & sensor System Division, en Steve Roberts, innovatiemanager van RECOM Power. Deze interactie heeft voornamelijk betrekking op de vermogenselektronica in Halfgeleider en een aantal belangrijke technologieën in het verschiet.
Het nieuwe Smart Power-initiatief gebaseerd op GaN technologie
Over dezelfde Stefan Obsersriebnig gesproken, het hoofd van de productlijn van Infineon zei dat GaN de technologische mogelijkheid biedt om hoogspanningsvoedingscomponenten zoals normaal uitgeschakelde HEMT's en laagspanningsrandapparatuur zoals gate-drivers, niveauverschuiving, stroom- en spanningsdetectiecircuits op één te integreren. sterven met hetzelfde fabricageproces. Dit maakt het mogelijk om apparaten te creëren die sterk geïntegreerd zijn en alle benodigde circuits bieden binnen een enkel pakket voor de hoogste vermogensdichtheid en gebruiksgemak met "digital in, power out"-gedrag.
Terwijl Steve Roberts, Innovation Manager van RECOM Power reageerde, kan Smart Power verwijzen naar manieren om bestaande hulpbronnen slim te beheren om energiearmoede te voorkomen, vooral in landelijke gebieden. De term wordt ook gebruikt om het beheer van de stroomdistributie in grote steden en grote fabrieken te beschrijven om netonderbrekingen en overbelasting te voorkomen. Hoe dan ook, het balanceren van beperkte energiebronnen vereist een efficiënte verschuiving van de macht. GaN-technologie is van cruciaal belang voor dit concept, omdat hiermee voedingen kunnen worden gemaakt met een efficiëntie van bijna 99%.
SiC- en GaN-technologieën stimuleren innovatie en efficiëntie in de vermogenselektronica van morgen
Stefan Obsersriebnig antwoordde dat SiC en GaN halfgeleiders met een brede bandgap zijn die hogere elektrische velden in de apparaten mogelijk maken en dus dunnere lagen met hogere doping voor het blokkeren van de spanning. Dit verkleint het benodigde oppervlak voor een gegeven aan-weerstand, waardoor de parasitaire capaciteiten afnemen. Als gevolg hiervan kunnen SiC en vooral GaN op veel hogere schakelfrequenties werken dan hun Si-tegenhangers. Dit leidt tot kleinere passieve componenten en hogere vermogensdichtheden van de vermogenselektronicasystemen. Bovendien, aangezien in SiC en GaN geen minderheidsdragers betrokken zijn bij de geleidingsfase, kunnen deze apparaten ook hard-switched zijn. Dit betekent dat nieuwe regelschema's mogelijk worden, die bijvoorbeeld een mix van hard- en soft-switching over de belasting en/of ingangs- en uitgangsspanningsbereiken gebruiken. Dit biedt nieuwe vrijheidsgraden voor ontwerpers van vermogenselektronische systemen en hogere efficiëntie door het optimale modulatieschema voor elk werkpunt te kiezen.
Dus om een GaN HEMT in te schakelen (te verbeteren), moet het uitputtingsgebied worden "geannuleerd" door een kleine spanning op de poort aan te leggen, waardoor de verbinding tussen source en drain wordt gedeblokkeerd. Dit gebeurt ZEER snel waardoor schakelsnelheden van 100 kHz tot de MHz-regio's gemakkelijk realiseerbaar zijn.
Voor militaire of ruimtetoepassingen is het inherente RadHard-weerstandsvermogen van de laterale GaN over de verticale Si/SiC-constructie ook een belangrijke aantrekkingskracht.
SiC-transistoren zijn vergelijkbaar met conventionele Si-mosfets, maar gebruik een siliciumcarbide in plaats van een siliciumsubstraat. SiC heeft een veel hogere doorslagspanning, zodat de afzonderlijke lagen dunner kunnen worden gemaakt, waardoor de schakelcapaciteit wordt verminderd en de stroomverwerkingscapaciteit wordt vergroot. Dus SiC-mosfet schakelt sneller en met een hogere vermogensdichtheid dan een gelijkwaardige Si-MOSFET Transistor.
Hoe brede bandgap halfgeleiders de toekomst van vermogenselektronica vormgeven?
Stefan Obsersriebnig antwoordde dat halfgeleiders met een brede bandgap het mogelijk maken de prestatiebarrières van bestaande Si-systemen te doorbreken. Efficiëntie en vermogensdichtheid worden naar een nieuw niveau getild en er worden ook nieuwe toepassingen mogelijk gemaakt. Ze spelen een belangrijke rol bij de elektrificatie en decarbonisatie van ons leven, omdat er niet alleen minder energie wordt verspild tijdens de conversieprocessen, maar ook hogere vermogensniveaus in minder ruimte kunnen worden verwerkt. Het komt erop neer dat de toekomst van vermogenselektronica in hoge mate wordt bepaald door halfgeleiders met een brede bandafstand, omdat ze nieuwe onderzoeksvectoren openen voor geavanceerde topologieën, modulatie- en besturingsschema's, integratieconcepten, filtermethoden en meer.
Halfgeleider De oplossingen van Infineon ondersteunen een stabiele en efficiënte stroom met minder verliezen en maximaliseren zo de efficiëntie langs de energieketen, allemaal volgens hoge kwaliteitsnormen voor de hoogste betrouwbaarheid en verbeterde duurzaamheid.
De nieuwste stroomoplossingen voor industriële en automobieltoepassingen
Stefan Obsersriebnig antwoordde dat Infineon in het industriële domein onlangs nieuwe siliciumgeneraties op de markt heeft geïntroduceerd, zoals IGBT7 of CoolMOS 7. Er zijn nieuwe pakketplatforms zoals EASY 3B toegevoegd, waardoor de mogelijkheden voor in voedings-PCB's ingebedde basisplaatloze modules worden uitgebreid. Bovendien zijn er krachtpakketten zoals QDPAK gelanceerd om de trend van koeling aan de bovenzijde vorm te geven. Naast ons Si-aanbod groeit de brede bandgap aanzienlijk. Zo worden er bijvoorbeeld slimme combinaties van silicium- en siliciumcarbidechips gelanceerd, die de klant een optimale oplossing bieden, bijvoorbeeld in de ANPC-topologie. Bovendien lanceerde Infineon een breed scala aan CoolSiC 650 V discrete apparaten. Bovendien richt een overtuigend CoolGaN 600 V-productportfolio zich op die toepassingen en klanten die superieure efficiëntie eisen, vooral in combinatie met ultieme vermogensdichtheid.
WBG in automobieltoepassingen staat ook centraal bij Infineon. Op de virtuele PCIM-beurs van dit jaar heeft Infineon ook de nieuwe HybridPACK Drive CoolSiC gepresenteerd, een full-bridge module met 1200 V blokkeerspanning geoptimaliseerd voor tractie-omvormers in elektrische voertuigen. De voedingsmodule is gebaseerd op de CoolSiC trench-MOSFET-technologie voor auto's voor hoge vermogensdichtheid en krachtige toepassingen. Dit biedt een hoger rendement bij omvormers met een groter bereik en lagere batterijkosten, vooral voor voertuigen met 800 V-batterijsystemen en een grotere batterijcapaciteit. Bovendien maken onze vermogenshalfgeleideroplossingen en slimme besturings-IC's multi-target optimalisatie mogelijk voor systeemkostenreductie, verhoogde vermogensdichtheid, hogere applicatie-efficiëntie en modulaire systemen, ter ondersteuning van uw favoriete topologie. Halfgeleiders, vooral die geproduceerd door Infineon, kunnen een cruciale rol spelen bij het opbouwen van energie-efficiëntie in alle fasen van de energievoorzieningsketen, vooral in een geëlektrificeerd voertuig.
Door vermogensverliezen te minimaliseren en energiebesparingen te maximaliseren, verhogen ze de algehele prestaties van hybride en elektrische voertuigen. Onze brede sleuteltechnologieën, waaronder Si-gebaseerde zoals IGBT en SJ MOSFET's, richten zich op het kosten-prestatiesegment waar WBG-oplossingen op basis van SiC vandaag en GaN in de toekomst hoogwaardige optimalisatie aan de klantzijde mogelijk zullen maken.
Steve Roberts zei dat de GaN-technologie op de langere termijn ook een enorme reductie zal opleveren in de afmetingen van de AC-voeding. Er worden al vermogensdichtheden van 40 W/in² ontwikkeld, twee of drie keer de vermogensdichtheden van conventionele op Si gebaseerde technologieën. Dit betekent dat industriële en medische klanten een nieuwe generatie AC/DC-voedingen kunnen verwachten die in veel kleinere behuizingen passen met minimale warmteontwikkeling. Aangezien GaN vooral geschikt is voor low-EMI, zeer efficiënte resonante of active-clamp flyback-topologieën, zullen veel omvangrijke voedingen worden vervangen door strakke nieuwe ontwerpen, wat betekent dat toekomstige producten meer rond de gebruikersinterface zullen worden ontworpen dan rond de omvangrijke voeding.
De volgende generatie GaN-compatibele AC/DC-producten van RECOM bieden bijvoorbeeld een 60W AC/DC-voeding met een voetafdruk van 3”x1.6” in plaats van de industriestandaard 4” x 2”, een vermindering van 40% in grootte voor hetzelfde vermogen.
De nieuwste innovatieve SiC & GaN-stroomoplossingen die industriële en automobielsystemen slimmer en groener maken
Stefan Obsersriebnig antwoordde dat het leven gemakkelijker, veiliger en groener maken de missie van Infineon is. Onze producten worden ontwikkeld om een duurzamere toekomst te ondersteunen. We hebben nieuwe, op SMD gebaseerde discrete producten toegevoegd die superieure matrijsbevestiging en thermische cyclische stabiliteit bieden. Nieuwe op AlN gebaseerde modules worden gelanceerd met SiC. 650V-apparaten vormen nu een aanvulling op het CoolMOS-aanbod. Ook werd wereldwijd de eerste 1200V SiC IPM gelanceerd. De autowereld evolueert in een ongekend tempo.
Bij Infineon kijken we terug op 40 jaar succes en bewezen expertise in het leveren van hoogwaardige halfgeleiders voor het aandrijven van elektronische systemen voor de auto-industrie. Een van de kernovertuigingen is om auto's groener te maken en daarom investeert Infineon continu in technologieën om de overgang naar elektrische voertuigen sneller en efficiënter mogelijk te maken. Op WBG gebaseerde oplossingen van Infineon maken een reductie van de systeemgrootte tot 80% mogelijk dankzij een hogere vermogensdichtheid, minder koelinspanning en een lager aantal passieve componenten. Onze klanten kunnen de vermogensdichtheid en de efficiëntie van de stroomconversie verhogen. Beide optimalisatierichtingen zijn de sleutel, vooral in een segment van geëlektrificeerde voertuigen waar een hogere efficiëntie het rijbereik kan vergroten en de vermogensdichtheid het ontwerp vereenvoudigt en het mogelijk maakt om batterijen met een hogere capaciteit in dezelfde carrosserie te installeren.
Op SiC gebaseerde vermogenselektronica voor xEV-hoofdomvormer en laadelektronica (OBC + HV DC-DC-converter) versnelt; dit geldt met name voor de segmentatie van premium auto's vandaag en de auto's van de volumeklasse van morgen. Om groene stroomelektronica mogelijk te maken, investeert Infineon in een breed productportfolio van SiC-aanbod - 750 V en 1200 V SiC-gebaseerde oplossingen. In de automobielsector werd het portfolio uitgebreid met andere op MOSFET gebaseerde producten en hybride oplossingen. GaN zou een potentiële opvolger van SiC kunnen zijn om in de toekomst een nog hogere vermogensdichtheid mogelijk te maken, en daarom zal Infineon ook op GaN gebaseerde oplossingen voor de automobielsector ontwikkelen.
Steve Roberts antwoordde verbazingwekkend dat zowel SiC- als GaN-transistors sneller en schoner schakelen en over het algemeen betere thermische prestaties hebben dan IGBT (SiC door zijn chemie - siliciumcarbide heeft ongeveer 3.5 keer betere thermische geleidbaarheid dan silicium, en GaN door zijn zeer lage verliezen en efficiënte SMD verpakking), maar voor veel toepassingen bieden super-junction MOSFET's en IGBT's nog steeds acceptabele prestaties tegen een veel lagere prijs. Dus voor veel prijsgevoelige industriële toepassingen hebben op silicium gebaseerde technologieën nog steeds de voorsprong op de nieuwe chemie; voorlopig althans.
Bovendien, aangezien WBG-transistoren zich nog in de vroege ontwikkeling bevinden, biedt de meer volwassen IGBT-technologie hogere schakelspanningen en -stromen dan zijn jongere rivalen:
Er zijn echter verschillende belangrijke toepassingen waarbij de prestatievoordelen van WBG cruciaal zijn: Elektrische voertuigen (EV's) vereisen een hogere efficiëntie (hogere schakelfrequentie) en betere thermische prestaties (lagere schakelverliezen) dan momenteel beschikbaar is met op silicium gebaseerde technologieën.
Het totale rendement van een plug-in EV ligt momenteel rond de 60% (omzetting van de netvoeding naar de kinetische energie van het voertuig). WBG biedt uitzicht op verbetering van de vermogensregeling en de efficiëntie van het opladen van de batterij, zodat het totale rendement stijgt tot 72%. Dit betekent een effectieve toename van het bereik van meer dan 20% zonder de bestaande batterijtechnologie te veranderen. Dit vooruitzicht van grootschalige EV-toepassingen is zeer aantrekkelijk voor SiC- en GaN-technologieën.
Er zijn echter verschillende belangrijke toepassingen waarbij de prestatievoordelen van WBG cruciaal zijn: Elektrische voertuigen (EV's) vereisen een hogere efficiëntie (hogere schakelfrequentie) en betere thermische prestaties (lagere schakelverliezen) dan momenteel beschikbaar is met op silicium gebaseerde technologieën.
Bijdragende auteur:
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaIs waterstofbrandstof de toekomst?
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaVorm van onze fabriek: productie in het postpandemische tijdperk