Инновационные разработки в области силовой электроники относятся к ключевым технологиям будущего, призванным повысить эффективность системы, а также производительность в автомобильных и энергосберегающих приложениях. Кремний на протяжении десятилетий является основным материалом для электронных переключателей. Усовершенствованные производственные процессы и сложные конструкции электронных устройств оптимизировали характеристики кремниевых электронных устройств почти до их теоретического предела. Следовательно, для повышения производительности системы необходимо исследовать новые материалы, которые обладают физическими и химическими свойствами помимо кремния. Ряд полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния, нитрид галлия, оксид галлия и алмаз, демонстрируют выдающиеся характеристики, которые могут открыть путь к новым уровням производительности.
Корреспондент ELE Times Шиба Чаухан провела эксклюзивное интервью со Стефаном Оберсрибнигом, руководителем линейки продуктов High напряжение Преобразование мощности Infineon и датчик Системное подразделение и Стив Робертс, менеджер по инновациям RECOM Power. Это взаимодействие в основном касается силовой электроники в Полупроводниковое и некоторые важные технологии впереди.
Новая инициатива Smart Power на основе GaN technology
Говоря о том же Стефане Обзерсрибниге, глава линейки продуктов Infineon, сказал, что GaN предлагает технологическую возможность интеграции высоковольтных силовых компонентов, таких как нормально выключенные HEMT, и низковольтных периферийных устройств, таких как драйверы затворов, сдвиг уровня, схемы измерения тока и напряжения в одну. умирают с тем же процессом изготовления. Это позволяет создавать устройства с высокой степенью интеграции и обеспечивать все необходимые схемы в одном корпусе для максимальной плотности мощности и простоты использования с поведением «цифровой вход, питание».
В то время как Стив Робертс, менеджер по инновациям RECOM Power, ответил, что Smart Power может ссылаться на способы разумного управления существующими ресурсами во избежание энергетической бедности, особенно в сельской местности. Этот термин также используется для описания управления распределением электроэнергии в больших городах и на крупных заводах, чтобы избежать перебоев в работе сети и перегрузок. В любом случае баланс ограниченных энергоресурсов требует эффективного переключения власти. Технология GaN имеет решающее значение для этой концепции, поскольку она позволяет изготавливать источники питания с КПД, приближающимся к 99%.
Технологии SiC и GaN стимулируют инновации и повышают эффективность силовой электроники завтрашнего дня
Стефан Обзерсрибниг ответил, что SiC и GaN - это полупроводники с широкой запрещенной зоной, которые обеспечивают более высокие электрические поля в устройствах и, следовательно, более тонкие слои с более высоким уровнем легирования для блокировки напряжения. Это уменьшает требуемую площадь для заданного сопротивления в открытом состоянии, что снижает паразитные емкости. В результате SiC и особенно GaN могут работать на гораздо более высоких частотах переключения, чем их Si-аналоги. Это приводит к уменьшению размера пассивных компонентов и увеличению удельной мощности систем силовой электроники. Кроме того, поскольку в SiC и GaN неосновные носители не участвуют в фазе проводимости, эти устройства также можно переключать жестко. Это означает, что становятся возможными новые схемы управления, которые, например, используют сочетание жесткого и мягкого переключения в диапазонах нагрузки и / или входного и выходного напряжения. Это предлагает новые степени свободы для разработчиков систем силовой электроники и более высокий КПД за счет выбора оптимальной схемы модуляции для каждой рабочей точки.
Таким образом, чтобы включить (улучшить) GaN HEMT, область истощения необходимо «нейтрализовать» путем приложения небольшого напряжения к затвору, разблокируя соединение между истоком и стоком. Это происходит ОЧЕНЬ быстро, что позволяет легко реализовать скорость переключения от 100 кГц до диапазона МГц.
Для военных или космических приложений присущая RadHard способность выдерживать поперечный GaN по сравнению с вертикальной конструкцией Si / SiC также является важным фактором растяжения.
SiC транзисторы похожи на обычные Si-МОП-транзисторы, но используйте карбид кремния, а не кремниевую подложку. SiC имеет гораздо более высокое напряжение пробоя, поэтому отдельные слои можно сделать тоньше, что снизит коммутационную емкость и повысит токоподъемность. Таким образом, SiC-MOSFET переключается быстрее и с более высокой плотностью мощности, чем эквивалентный Si-МОП-транзистор Транзистор.
Насколько широкозонные полупроводники формируют будущее силовой электроники?
Стефан Обзерсрибниг ответил, что полупроводники с широкой запрещенной зоной позволяют преодолеть барьеры производительности существующих систем Si. Эффективность и удельная мощность поднялись на новый уровень, а также стали доступны новые приложения. Они играют важную роль в электрификации и декарбонизации нашей жизни, поскольку не только меньше энергии тратится впустую во время процессов преобразования, но и более высокие уровни мощности могут обрабатываться в меньшем пространстве. В итоге будущее силовой электроники в значительной степени определяется полупроводниками с широкой запрещенной зоной, поскольку они открывают новые направления исследований в области продвинутых топологий, схем модуляции и управления, концепций интеграции, методов фильтрации и многого другого.
Полупроводниковое Решения от Infineon поддерживают стабильный и эффективный поток с уменьшенными потерями, тем самым максимизируя эффективность всей энергоцепи, и все это соответствует высоким стандартам качества для высочайшей надежности и повышения устойчивости.
Новейшие энергетические решения для промышленного и автомобильного применения
Штефан Обсерсрибниг ответил, что в промышленной сфере компания Infineon недавно представила на рынке новые поколения полупроводников, такие как IGBT7 или CoolMOS 7. Были добавлены новые пакетные платформы, такие как EASY 3B, расширяющие возможности для модулей без базовой платы, встраиваемых в печатную плату. Кроме того, были запущены пакеты питания, такие как QDPAK, чтобы сформировать тенденцию к охлаждению верхней части. По сравнению с нашим предложением Si, ширина запрещенной зоны существенно увеличивается. В качестве примера можно привести интеллектуальные комбинации чипов из кремния и карбида кремния, предлагающие заказчику оптимальное решение по производительности кроватей, например, в топологии ANPC. Кроме того, Infineon выпустила широкую линейку дискретных устройств CoolSiC 650 В. Кроме того, привлекательный портфель продуктов CoolGaN 600 В предназначен для тех приложений и клиентов, которым требуется превосходная эффективность, особенно в сочетании с максимальной плотностью мощности.
Группа Всемирного банка в автомобильной отрасли также находится в центре внимания Infineon. На виртуальной выставке PCIM в этом году компания Infineon также представила новый HybridPACK Drive CoolSiC, полный мост. модуль с блокирующим напряжением 1200 В, оптимизированным для тяговых инверторов в электромобилях. Силовой модуль основан на автомобильной технологии CoolSiC MOSFET для приложений с высокой плотностью мощности и производительностью. Это обеспечивает более высокую эффективность инверторов с большим запасом хода и более низкую стоимость аккумуляторов, особенно для автомобилей с аккумуляторными системами на 800 В и аккумуляторами большей емкости. Кроме того, наши силовые полупроводниковые решения и микросхемы интеллектуального управления обеспечивают многоцелевую оптимизацию для снижения стоимости системы, увеличения удельной мощности, повышения эффективности приложений и модульных систем, поддерживающих выбранную вами топологию. Полупроводники, особенно те, которые производит Infineon, могут сыграть жизненно важную роль в повышении энергоэффективности на всех этапах цепочки поставок энергии, особенно в электрифицированных транспортных средствах.
За счет сведения к минимуму потерь мощности и максимального энергосбережения они повышают общую производительность гибридных и электромобилей. Наши широкие ключевые технологии, в том числе на основе Si, такие как IGBT и SJ MOSFET, ориентированы на сегмент затрат и производительности, где решения WBG на основе SiC сегодня и GaN в будущем позволят высокопроизводительную оптимизацию на стороне заказчика.
Стив Робертс сказал, что в долгосрочной перспективе технология GaN также обеспечит значительное сокращение габаритов источников питания переменного тока. Плотность мощности 40 Вт / кв. Дюйм уже разрабатывается, что вдвое или втрое превышает удельную мощность традиционных технологий на основе кремния. Это означает, что промышленные и медицинские клиенты могут рассчитывать на новое поколение источников питания переменного / постоянного тока, которые помещаются в гораздо меньшие корпуса с минимальным тепловыделением. Поскольку GaN особенно подходит для топологий с низким уровнем электромагнитных помех, высокоэффективными резонансными или активными зажимами, многие громоздкие источники питания будут заменены на новые элегантные конструкции, что будет означать, что будущие продукты будут больше ориентированы на пользовательский интерфейс, чем на громоздкий блок питания.
Например, продукты RECOM нового поколения с поддержкой GaN для переменного / постоянного тока будут предлагать источник питания переменного / постоянного тока мощностью 60 Вт с занимаемой площадью 3 x 1.6 дюйма вместо стандартных 4 x 2 дюйма, что на 40% меньше. по размеру для той же выходной мощности.
Новейшие инновационные силовые решения на основе SiC и GaN, которые делают промышленные и автомобильные системы более интеллектуальными и экологичными.
Стефан Обзерсрибниг ответил, что задача Infineon - сделать жизнь проще, безопаснее и экологичнее. Наши продукты разрабатываются для обеспечения более устойчивого будущего. Мы добавили новые дискретные продукты на основе SMD, обеспечивающие превосходное крепление штампа и стабильность при термоциклировании. Новые модули на основе AlN запускаются с SiC. Устройства на 650 В теперь дополняют предложение CoolMOS. Также был запущен первый в мире SiC IPM на 1200 В. Автомобильный мир развивается беспрецедентными темпами.
В Infineon мы оглядываемся на 40-летний успех и проверенный опыт в поставке высококачественных полупроводников для силовых электронных систем для автомобильной промышленности. Одно из основных убеждений - сделать автомобили более экологичными, поэтому Infineon постоянно инвестирует в технологии, позволяющие перейти на электрифицированные автомобили быстрее и эффективнее. Решения на основе Infineon WBG позволяют уменьшить размер системы до 80% благодаря более высокой плотности мощности, меньшему усилию охлаждения и меньшему количеству пассивных компонентов. Наши клиенты могут увеличить удельную мощность и эффективность преобразования энергии. Оба направления оптимизации являются ключевыми, особенно в сегменте электрифицированных транспортных средств, где более высокая эффективность может расширить диапазон движения, а удельная мощность упрощает конструкцию и позволяет устанавливать батареи большей емкости в один и тот же кузов.
Силовая электроника на основе SiC для главного инвертора xEV и зарядной электроники (OBC + HV DC-DC преобразователь) набирает обороты; Это особенно верно в отношении сегментации автомобилей премиум-класса сегодня и автомобилей массового класса завтра. Чтобы обеспечить экологически чистую силовую электронику, Infineon инвестирует в широкий ассортимент продуктов на основе SiC - решения на основе SiC на 750 В и 1200 В. В автомобильном секторе портфель был расширен продуктами на основе MOSFET и гибридными решениями. GaN может стать потенциальным преемником SiC, чтобы обеспечить еще более высокую удельную мощность в будущем, и поэтому Infineon будет также разрабатывать решения на основе GaN для автомобильной отрасли.
Стив Робертс поразительно ответил, что и SiC, и GaN транзисторы переключаются быстрее, чище и имеют в целом лучшие тепловые характеристики, чем IGBT (SiC благодаря своему химическому составу - карбид кремния имеет примерно в 3.5 раза лучшую теплопроводность, чем кремний, и GaN благодаря очень низким потерям и эффективному SMD. упаковка), но для многих приложений полевые МОП-транзисторы с суперпереходом и IGBT по-прежнему предлагают приемлемые характеристики по гораздо более низкой цене. Таким образом, для многих чувствительных к цене промышленных приложений кремниевые технологии по-прежнему имеют преимущество перед новыми химическими технологиями; пока, по крайней мере.
Кроме того, поскольку транзисторы WBG все еще находятся на ранней стадии разработки, более зрелая технология IGBT предлагает более высокие коммутируемые напряжения и токи, чем ее более молодые конкуренты:
Тем не менее, есть несколько ключевых приложений, в которых эксплуатационные преимущества WBG имеют решающее значение: электромобили (электромобили) требуют более высокого КПД (более высокая частота переключения) и лучших тепловых характеристик (более низкие потери переключения), чем в настоящее время доступны в технологиях на основе кремния.
Общая эффективность подключаемого электромобиля в настоящее время составляет около 60% (преобразование сетевой мощности в кинетическую энергию транспортного средства). WBG предлагает перспективу улучшения управления питанием и эффективности зарядки аккумулятора, так что общий КПД возрастет до 72%. Это представляет собой увеличение эффективного диапазона более чем на 20% без изменения существующей технологии батарей. Эта перспектива массовых применений электромобилей очень привлекательна для технологий SiC и GaN.
Тем не менее, есть несколько ключевых приложений, в которых эксплуатационные преимущества WBG имеют решающее значение: электромобили (электромобили) требуют более высокого КПД (более высокая частота переключения) и лучших тепловых характеристик (более низкие потери переключения), чем в настоящее время доступны в технологиях на основе кремния.
Соавтор:
Шиба Чаухан
-
Шиба Чауханhttps://www.eletimes.com/author/sheebaБудущее за водородным топливом?
-
Шиба Чауханhttps://www.eletimes.com/author/sheebaФорма нашей фабрики: производство в эпоху постпандемии