Güç elektroniğindeki yenilikçi gelişmeler, otomotiv ve enerji tasarrufu uygulamalarında sistem verimliliğinin yanı sıra performansı da artırmaya yönelik geleceğin anahtar teknolojilerindendir. Silikon onlarca yıldır elektronik anahtarların ana malzemesidir. Gelişmiş üretim süreçleri ve karmaşık elektronik cihaz tasarımları, silikon elektronik cihaz performansını neredeyse teorik limitlerine kadar optimize etti. Bu nedenle sistem performansını arttırmak için silikonun ötesinde fiziksel ve kimyasal özellikler sergileyen yeni malzemelerin araştırılması gerekmektedir. Silisyum karbür, galyum nitrür, galyum oksit ve elmas gibi geniş bant aralıklı bir dizi yarı iletken, yeni performans seviyelerinin yolunu açabilecek olağanüstü özellikler sergiler.
ELE Times Muhabiri Sheeba Chauhan, Yüksek Ürün Grubu Başkanı Stefan Obersriebnig ile özel bir röportaj yaptı Voltaj Infineon'un Gücünün Dönüştürülmesi & algılayıcı Sistem Bölümü ve RECOM Power İnovasyon Müdürü Steve Roberts. Bu etkileşim büyük ölçüde güç elektroniği ile ilgilidir. Yarıiletken ve ileride bazı önemli teknolojiler var.
GaN'a dayalı yeni Akıllı Güç girişimi teknoloji
Infineon Ürün Grubu Başkanı Stefan Obsersriebnig, GaN'ın normalde kapalı HEMT'ler gibi yüksek voltajlı güç bileşenlerini ve kapı sürücüleri, seviye kaydırma, akım ve voltaj algılama devresi gibi düşük voltajlı çevre birimlerini tek bir cihazda entegre etme teknolojik olanağı sunduğunu söyledi. aynı üretim süreciyle ölürler. Bu, son derece entegre olan ve "dijital giriş, güç çıkışı" davranışıyla en yüksek güç yoğunluğu ve kullanım kolaylığı için gerekli tüm devreleri tek bir pakette sağlayan cihazların oluşturulmasına olanak tanır.
RECOM Power'ın İnovasyon Müdürü Steve Roberts yanıt verirken, Smart Power, özellikle kırsal alanlarda enerji yoksulluğunu önlemek için mevcut kaynakları akıllıca yönetmenin yollarını ifade edebilir. Bu terim aynı zamanda büyük şehirlerde ve büyük fabrikalarda şebeke kesintilerini ve aşırı yükleri önlemek için güç dağıtımının yönetilmesini tanımlamak için de kullanılır. Her iki durumda da, sınırlı enerji kaynaklarının dengelenmesi, gücün verimli bir şekilde değiştirilmesini gerektirir. GaN teknolojisi bu konsept için çok önemlidir çünkü güç kaynaklarının %99'a yaklaşan verimliliklerle yapılmasına olanak tanır.
SiC ve GaN teknolojileri yarının güç elektroniğinde yenilikçiliği ve verimliliği artırıyor
Stefan Obsersriebnig, SiC ve GaN'nin, cihazlarda daha yüksek elektrik alanlarına ve dolayısıyla voltajı bloke etmek için daha yüksek katkılı daha ince katmanlara olanak tanıyan geniş bant aralıklı yarı iletkenler olduğunu söyledi. Bu, belirli bir direnç için gerekli alanı azaltır ve bu da parazitik kapasitansları azaltır. Sonuç olarak SiC ve özellikle GaN, Si muadillerine göre çok daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışabilir. Bu, güç elektroniği sistemlerinde daha küçük pasif bileşenlere ve daha yüksek güç yoğunluklarına yol açar. Ayrıca SiC ve GaN'de iletim aşamasında azınlık taşıyıcıları yer almadığından, bu cihazlar da donanımsal anahtarlamayla çalıştırılabilir. Bu, örneğin yük ve/veya giriş ve çıkış voltaj aralıkları üzerinde sert ve yumuşak anahtarlamanın bir karışımını kullanan yeni kontrol şemalarının mümkün olduğu anlamına gelir. Bu, güç elektroniği sistemleri tasarımcılarına yeni özgürlük dereceleri ve her çalışma noktası için en uygun modülasyon şemasını seçerek daha yüksek verimlilik sunar.
Bu nedenle, bir GaN HEMT'yi açmak (geliştirmek) için, geçide küçük bir voltaj uygulanarak kaynak ve boşaltma arasındaki bağlantının engellenmesiyle tükenme bölgesinin "iptal edilmesi" gerekir. Bu ÇOK hızlı gerçekleşir ve 100 kHz'den MHz bölgelerine kadar geçiş hızlarını kolayca gerçekleştirilebilir hale getirir.
Askeri veya uzay uygulamaları için, yanal GaN'nin dikey Si/SiC yapısı üzerindeki doğal RadHard dayanma kapasitesi de önemli bir çekme faktörüdür.
SiC transistörleri geleneksel Si-transistörlere benzer.mosfetlerancak silikon alt tabaka yerine silisyum karbür kullanın. SiC çok daha yüksek bir arıza voltajına sahiptir, böylece bireysel katmanlar daha ince hale getirilerek anahtarlama kapasitansı azaltılabilir ve akım işleme kapasitesi arttırılabilir. Böylece SiC-mosfet eşdeğer bir Si-'ye göre daha hızlı ve daha yüksek güç yoğunluğuyla geçiş yapar.MOSFET Transistor.
Geniş bant aralıklı yarı iletkenler güç elektroniğinin geleceğini ne kadar şekillendiriyor?
Stefan Obsersriebnig, geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin mevcut Si sistemlerinin performans sınırlarını aşmaya olanak sağladığını söyledi. Verimlilik ve güç yoğunluğu yeni seviyelere taşınıyor ve yeni uygulamalar da etkinleştiriliyor. Dönüşüm süreçlerinde daha az enerji israf edilmesinin yanı sıra daha yüksek güç seviyelerinin daha az alanda işlenebilmesi nedeniyle hayatımızın elektrifikasyonunda ve karbondan arındırılmasında önemli bir rol oynuyorlar. Sonuç olarak, güç elektroniğinin geleceği, gelişmiş topolojiler, modülasyon ve kontrol şemaları, entegrasyon konseptleri, filtreleme yöntemleri ve daha fazlasına yönelik yeni araştırma vektörleri açtığından, geniş bant aralıklı yarı iletkenler tarafından büyük ölçüde şekillendirilmektedir.
Yarıiletken Infineon'un çözümleri, azaltılmış kayıplarla istikrarlı ve verimli bir akışı destekler, böylece güç zinciri boyunca verimliliği en üst düzeye çıkarır; bunların tümü en yüksek güvenilirlik ve gelişmiş sürdürülebilirlik için yüksek kalite standartlarındadır.
Endüstriyel ve otomotiv uygulamalarına yönelik en yeni güç çözümleri
Stefan Obsersriebnig, endüstriyel alanda Infineon'un son zamanlarda aşağıdakiler gibi yeni silikon nesillerini pazara sunduğunu söyledi: IGBTEASY 7B gibi yeni paket platformları eklenerek güç PCB'sine gömülü taban plakasız modüllerin kapsamı genişletildi. Ayrıca üstten soğutma trendini şekillendirmek için QDPAK gibi güç paketleri de piyasaya sürüldü. Si teklifimizin yanı sıra geniş bant aralığı da önemli ölçüde artıyor. Bir örnek olarak, örneğin ANPC topolojisinde müşteriye optimum manşon performansı çözümü sunan silikon ve silisyum karbür çiplerin akıllı kombinasyonları piyasaya sürüldü. Ayrıca Infineon, geniş bir CoolSiC 7 V ayrık cihaz yelpazesini piyasaya sürdü. Üstelik ilgi çekici CoolGaN 3 V ürün portföyü, özellikle üstün güç yoğunluğuyla birlikte üstün verimlilik talep eden uygulamalara ve müşterilere hitap ediyor.
Otomotiv uygulamalarındaki WBG de Infineon'un odak noktasındadır. Bu yılki sanal PCIM ticaret fuarında Infineon ayrıca tam köprülü yeni HybridPACK Drive CoolSiC'yi de tanıttı. modül Elektrikli araçlardaki çekiş invertörleri için optimize edilmiş 1200 V engelleme voltajıyla. Güç modülü, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek performanslı uygulamalar için otomotiv CoolSiC hendek MOSFET teknolojisine dayanmaktadır. Bu, özellikle 800 V akü sistemine ve daha büyük akü kapasitesine sahip araçlar için daha uzun menzilli ve daha düşük akü maliyetli invertörlerde daha yüksek verimlilik sağlar. Ek olarak, güç yarı iletken çözümlerimiz ve akıllı kontrol IC'lerimiz, sistem maliyetinin azaltılması, artırılmış güç yoğunluğu, daha yüksek uygulama verimliliği ve modüler sistemler için çoklu hedef optimizasyonuna olanak tanıyarak tercih ettiğiniz topolojiyi destekler. Yarı iletkenler, özellikle de Infineon tarafından üretilenler, enerji tedarik zincirinin tüm aşamalarında, özellikle de elektrikli bir araçta, enerji verimliliğinin artırılmasında hayati bir rol oynayabilir.
Güç kayıplarını en aza indirip güç tasarrufunu maksimuma çıkararak hibrit ve elektrikli araçların genel performansını artırırlar. IGBT ve SJ MOSFET'ler gibi Si tabanlı dahil olmak üzere geniş temel teknolojilerimiz, bugün SiC ve gelecekte GaN tabanlı WBG çözümlerinin müşteri tarafında yüksek performanslı optimizasyona olanak sağlayacağı maliyet-performans segmentine hitap etmektedir.
Steve Roberts, uzun vadede GaN teknolojisinin AC güç kaynağı boyutlarında da büyük azalmalar sunacağını söyledi. Geleneksel Si tabanlı teknolojilerin güç yoğunluklarının iki veya üç katı olan 40W/inç²'lik güç yoğunlukları halihazırda geliştirilmektedir. Bu, endüstriyel ve tıbbi müşterilerin, minimum ısı üretimiyle çok daha küçük muhafazalara sığan yeni nesil AC/DC güç kaynaklarından bekleyebilecekleri anlamına gelir. GaN özellikle düşük EMI'lı, yüksek verimli rezonanslı veya aktif kelepçeli geri dönüş topolojileri için uygun olduğundan, pek çok hantal güç kaynağının yerini şık yeni tasarımlar alacak; bu da gelecekteki ürünlerin, kullanıcı arayüzü etrafından ziyade kullanıcı arayüzü etrafında tasarlanacağı anlamına gelecektir. hacimli güç kaynağı.
Örneğin, RECOM'un yeni nesil GaN özellikli AC/DC ürünleri, endüstri standardı 60" x 3" yerine 1.6"x4" kaplama alanına sahip 2W AC/DC güç kaynağı sunacak, bu da %40'lık bir azalma anlamına geliyor. Aynı güç çıkışı için boyutta.
Endüstriyel ve otomotiv sistemlerini daha akıllı ve daha yeşil hale getiren en yeni yenilikçi SiC ve GaN güç çözümleri
Stefan Obsersriebnig, hayatı daha kolay, daha güvenli ve daha yeşil hale getirmenin Infineon'un misyonu olduğunu söyledi. Ürünlerimiz daha sürdürülebilir bir geleceği desteklemek için geliştirilmektedir. Üstün kalıp bağlantısı ve termal döngü stabilitesi sunan yeni SMD tabanlı ayrık ürünler ekledik. SiC ile yeni AlN tabanlı modüller piyasaya sürüldü. 650V cihazlar artık CoolMOS teklifini tamamlıyor. Dünya çapında ilk 1200V SiC IPM de piyasaya sürüldü. Otomotiv dünyası benzeri görülmemiş bir hızla gelişiyor.
Infineon olarak, otomotiv endüstrisine yönelik güç elektroniği sistemlerine yönelik yüksek kaliteli yarı iletkenlerin tedarikinde 40 yıllık başarıya ve kanıtlanmış uzmanlığa sahibiz. Temel inançlardan biri arabaları daha yeşil hale getirmektir ve bu nedenle Infineon, elektrikli araçlara geçişi daha hızlı ve daha verimli hale getirmek için sürekli olarak teknolojilere yatırım yapmaktadır. Infineon WBG tabanlı çözümler, daha yüksek güç yoğunluğu, daha az soğutma çabası ve daha az sayıda pasif bileşen sayesinde sistem boyutunun %80'e kadar azaltılmasını sağlar. Müşterilerimiz güç yoğunluğunu ve güç dönüşüm verimliliğini artırabilir. Her iki optimizasyon yönü de, özellikle yüksek verimliliğin sürüş menzilini genişletebildiği ve güç yoğunluğunun tasarımı basitleştirdiği ve daha yüksek kapasiteli pillerin aynı gövdeye takılmasına olanak sağladığı elektrikli araç segmentinde anahtar rol oynuyor.
xEV ana invertör ve Şarj elektroniği (OBC + HV DC-DC dönüştürücü) için SiC tabanlı güç elektroniği hızlanıyor; bu özellikle günümüzün premium otomobil segmentasyonu ve yarının hacim sınıfı otomotivi için geçerlidir. Yeşil güç elektroniğini mümkün kılmak için Infineon, 750 V ve 1200 V SiC tabanlı çözümler sunan geniş bir SiC ürün portföyüne yatırım yapıyor. Otomotiv sektöründe portföy, MOSFET tabanlı ürünler ve hibrit çözümlerle genişletildi. GaN, gelecekte daha da yüksek güç yoğunluğunu mümkün kılmak için SiC'nin potansiyel bir halefi olabilir ve bu nedenle Infineon, otomotiv alanı için de GaN tabanlı çözümler geliştirecektir.
Steve Roberts, hem SiC hem de GaN transistörlerinin IGBT'den daha hızlı, daha temiz ve genel olarak daha iyi termal performansa sahip olduğunu şaşırtıcı bir şekilde yanıtladı (SiC kimyası nedeniyle - silikon karbür, Silikon'dan yaklaşık 3.5 kat daha iyi termal iletkenliğe sahiptir ve çok düşük kayıpları ve verimli SMD'si sayesinde GaN) paketleme), ancak birçok uygulama için süper bağlantı MOSFET'leri ve IGBT'ler hala çok daha düşük bir fiyata kabul edilebilir bir performans sunuyor. Dolayısıyla, fiyata duyarlı pek çok endüstriyel uygulama için silikon bazlı teknolojilerin hâlâ yeni kimyalara göre üstünlüğü var; en azından şimdilik.
Ayrıca, WBG transistörleri hala erken gelişim aşamasında olduğundan, daha olgun IGBT teknolojisi, genç rakiplerine göre daha yüksek anahtarlama voltajları ve akımları sunar:
Bununla birlikte, WBG'nin performans avantajlarının çok önemli olduğu birkaç önemli uygulama vardır: Elektrikli araçlar (EV'ler), şu anda Silikon bazlı teknolojilerden elde edilebilenden daha yüksek verimlilik (daha yüksek anahtarlama frekansı) ve daha iyi termal performans (daha düşük anahtarlama kayıpları) gerektirir.
Bir plug-in EV'nin genel verimliliği şu anda %60 civarındadır (şebeke gücünün aracın kinetik enerjisine dönüştürülmesi). WBG, genel verimliliği %72'ye çıkaracak şekilde güç kontrolünü ve pil şarj verimliliğini iyileştirme olanağı sunuyor. Bu, mevcut pil teknolojisini değiştirmeden %20'den fazla etkili menzil artışını temsil ediyor. Yüksek hacimli EV uygulamalarının bu olasılığı SiC ve GaN teknolojileri için oldukça caziptir.
Bununla birlikte, WBG'nin performans avantajlarının çok önemli olduğu birkaç önemli uygulama vardır: Elektrikli araçlar (EV'ler), şu anda Silikon bazlı teknolojilerden elde edilebilenden daha yüksek verimlilik (daha yüksek anahtarlama frekansı) ve daha iyi termal performans (daha düşük anahtarlama kayıpları) gerektirir.
Katkıda Bulunan Yazar:
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaHidrojen Yakıtı Gelecek mi?
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaFabrikamızın Şekli: Pandemi Sonrası Dönemde Üretim