Những phát triển đổi mới trong lĩnh vực điện tử công suất thuộc về những công nghệ then chốt trong tương lai nhằm tăng hiệu suất của hệ thống cũng như hiệu suất trong các ứng dụng ô tô và tiết kiệm năng lượng. Silicon là vật liệu chính cho các công tắc điện tử trong nhiều thập kỷ. Các quy trình chế tạo tiên tiến và thiết kế thiết bị điện tử tinh vi đã tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị điện tử silicon gần như đến giới hạn lý thuyết của chúng. Do đó, để tăng hiệu suất của hệ thống, các vật liệu mới thể hiện các đặc tính vật lý và hóa học ngoài silicon cần được khám phá. Một số chất bán dẫn dải tần rộng như cacbua silic, nitrit gali, oxit gali và kim cương thể hiện các đặc điểm nổi bật có thể mở đường cho các cấp hiệu suất mới.
Phóng viên Sheeba Chauhan của ELE Times đã có cuộc phỏng vấn độc quyền với Stefan Obersriebnig, Giám đốc điều hành dòng sản phẩm Vôn Chuyển đổi Sức mạnh của Infineon & cảm biến Bộ phận Hệ thống và Steve Roberts, Giám đốc Đổi mới của RECOM Power. Sự tương tác này chủ yếu bao gồm các thiết bị điện tử công suất trong Semiconductor và một số công nghệ chính đi trước.
Sáng kiến Smart Power mới dựa trên GaN công nghệ
Nói về cùng Stefan Obsersriebnig, Giám đốc dòng sản phẩm của Infineon cho biết GaN cung cấp khả năng công nghệ để tích hợp các thành phần nguồn điện áp cao như HEMT thường tắt và các thiết bị ngoại vi điện áp thấp như trình điều khiển cổng, chuyển mức, mạch cảm nhận dòng điện và điện áp vào một chết với cùng một quy trình chế tạo. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị được tích hợp cao và cung cấp tất cả các mạch điện cần thiết trong một gói duy nhất để có mật độ điện năng cao nhất và dễ sử dụng với hành vi “kỹ thuật số vào, mất nguồn”.
Trong khi Steve Roberts, Giám đốc Đổi mới của RECOM Power trả lời, Smart Power có thể đề cập đến các cách quản lý thông minh các nguồn lực hiện có để tránh tình trạng nghèo năng lượng, đặc biệt là ở các vùng nông thôn. Thuật ngữ này cũng được sử dụng để mô tả việc quản lý phân phối điện ở các thành phố lớn và các nhà máy lớn để tránh gián đoạn lưới điện và quá tải. Dù bằng cách nào, việc cân bằng các nguồn năng lượng hạn chế đòi hỏi sự chuyển dịch năng lượng xung quanh một cách hiệu quả. Công nghệ GaN rất quan trọng đối với khái niệm này vì nó cho phép tạo ra các nguồn cung cấp năng lượng với hiệu suất đạt tới 99%.
Công nghệ SiC và GaN thúc đẩy sự đổi mới và hiệu quả trong lĩnh vực điện tử công suất của ngày mai
Stefan Obsersriebnig trả lời rằng SiC và GaN là các chất bán dẫn băng thông rộng cho phép điện trường cao hơn trong các thiết bị và do đó các lớp mỏng hơn với sự pha tạp cao hơn để chặn điện áp. Điều này làm giảm diện tích cần thiết cho một điện trở nhất định, làm giảm điện dung ký sinh. Kết quả là SiC và đặc biệt là GaN có thể hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn nhiều so với các đối tác Si của chúng. Điều này dẫn đến các thành phần thụ động nhỏ hơn và mật độ công suất cao hơn của hệ thống điện tử công suất. Hơn nữa, vì trong SiC và GaN không có sóng mang thiểu số nào tham gia vào giai đoạn dẫn, các thiết bị này cũng có thể được chuyển mạch cứng. Điều này có nghĩa là các sơ đồ điều khiển mới trở nên khả thi, chẳng hạn như sử dụng kết hợp chuyển mạch cứng và mềm trên tải và / hoặc dải điện áp đầu vào và đầu ra. Điều này mang lại mức độ tự do mới cho các nhà thiết kế hệ thống điện tử công suất và hiệu suất cao hơn bằng cách chọn sơ đồ điều chế tối ưu cho mỗi điểm hoạt động.
Do đó, để bật (tăng cường) GaN HEMT, vùng cạn kiệt cần được "hủy bỏ" bằng cách đặt một điện áp nhỏ vào cổng, bỏ chặn kết nối giữa nguồn và cống. Điều này xảy ra RẤT nhanh khiến tốc độ chuyển đổi từ 100 kHz lên đến các vùng MHz có thể dễ dàng thực hiện được.
Đối với các ứng dụng quân sự hoặc không gian, khả năng chịu được RadHard vốn có của GaN bên trên kết cấu Si / SiC thẳng đứng cũng là một yếu tố kéo chính.
Bóng bán dẫn SiC tương tự như Si- thông thườngmosfet, nhưng sử dụng một cacbua silicon thay vì một chất nền silicon. SiC có điện áp đánh thủng cao hơn nhiều nên các lớp riêng lẻ có thể được làm mỏng hơn, giảm điện dung chuyển mạch và tăng khả năng xử lý dòng điện. Do đó SiC-mosfet chuyển mạch nhanh hơn và có mật độ năng lượng cao hơn Si-MOSFE Transistor.
Chất bán dẫn dải tần rộng đang định hình tương lai của điện tử công suất như thế nào?
Stefan Obsersriebnig trả lời rằng chất bán dẫn dải tần rộng cho phép phá vỡ các rào cản về hiệu suất của các hệ thống Si hiện có. Hiệu quả và mật độ năng lượng được đẩy lên cấp độ mới, và các ứng dụng mới cũng được kích hoạt. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình điện khí hóa và khử cacbon trong cuộc sống của chúng ta, vì không chỉ ít năng lượng bị lãng phí hơn trong quá trình chuyển đổi mà còn có thể xử lý mức năng lượng cao hơn trong không gian ít hơn. Điểm mấu chốt, tương lai của điện tử công suất được định hình rất nhiều bởi các chất bán dẫn băng thông rộng vì chúng mở ra các vectơ nghiên cứu mới thành các cấu trúc liên kết nâng cao, các sơ đồ điều chế và điều khiển, các khái niệm tích hợp, các phương pháp lọc và hơn thế nữa.
Semiconductor các giải pháp từ Infineon hỗ trợ dòng chảy ổn định và hiệu quả với tổn thất giảm, do đó tối đa hóa hiệu quả dọc theo chuỗi điện, tất cả đều đạt tiêu chuẩn chất lượng cao để có độ tin cậy cao nhất và cải thiện tính bền vững.
Các giải pháp điện năng mới nhất cho các ứng dụng công nghiệp và ô tô
Stefan Obsersriebnig trả lời rằng lĩnh vực công nghiệp, Infineon gần đây đã giới thiệu ra thị trường các thế hệ silicon mới như IGBT7 hoặc CoolMOS 7. Các nền tảng gói mới như EASY 3B đã được thêm vào, mở rộng phạm vi cho các mô-đun không có tấm nền nhúng PCB. Hơn nữa, các gói năng lượng như QDPAK đã được tung ra nhằm định hình xu hướng làm mát từ trên xuống. Bên cạnh sản phẩm Si của chúng tôi, băng thông rộng đang tăng lên đáng kể. Lấy một ví dụ, sự kết hợp thông minh giữa chip silicon và silicon cacbua được ra mắt, mang đến giải pháp hiệu suất cũi tối ưu cho khách hàng, ví dụ như trong cấu trúc liên kết ANPC. Hơn nữa, Infineon đã tung ra nhiều loại thiết bị rời CoolSiC 650 V. Ngoài ra, danh mục sản phẩm CoolGaN 600 V hấp dẫn sẽ đáp ứng những ứng dụng và khách hàng yêu cầu hiệu quả vượt trội, đặc biệt khi kết hợp với mật độ năng lượng tối đa.
WBG trong các ứng dụng ô tô cũng là trọng tâm của Infineon. Tại triển lãm thương mại PCIM ảo năm nay, Infineon cũng đã giới thiệu HybridPACK Drive CoolSiC mới, một cầu nối đầy đủ mô-đun với điện áp chặn 1200 V được tối ưu hóa cho bộ biến tần lực kéo trong xe điện. Mô-đun nguồn dựa trên công nghệ MOSFET rãnh CoolSiC dành cho ô tô dành cho các ứng dụng có mật độ năng lượng cao và hiệu suất cao. Điều này mang lại hiệu quả cao hơn trong các bộ biến tần có phạm vi hoạt động dài hơn và chi phí pin thấp hơn, đặc biệt đối với các phương tiện có hệ thống pin 800 V và dung lượng pin lớn hơn. Ngoài ra, các giải pháp bán dẫn điện và IC điều khiển thông minh của chúng tôi cho phép tối ưu hóa đa mục tiêu để giảm chi phí hệ thống, tăng mật độ năng lượng, hiệu suất ứng dụng cao hơn và các hệ thống mô-đun— hỗ trợ cấu trúc liên kết ưa thích của bạn. Chất bán dẫn, đặc biệt là chất bán dẫn do Infineon sản xuất, có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong tất cả các giai đoạn của chuỗi cung ứng năng lượng, đặc biệt là trong phương tiện điện khí hóa.
Bằng cách giảm thiểu tổn thất điện năng và tiết kiệm điện tối đa, chúng làm tăng hiệu suất tổng thể của xe hybrid và xe điện. Các công nghệ quan trọng của chúng tôi, bao gồm cả MOSFET dựa trên Si như IGBT và SJ MOSFET, đang giải quyết phân khúc hiệu suất chi phí nơi các giải pháp WBG dựa trên SiC ngày nay và GaN trong tương lai sẽ cho phép tối ưu hóa hiệu suất cao ở phía khách hàng.
Steve Roberts cho biết trong dài hạn, công nghệ GaN cũng sẽ giảm đáng kể kích thước nguồn cung cấp điện xoay chiều. Mật độ công suất 40W / in² đang được phát triển, gấp đôi hoặc gấp ba lần mật độ công suất của các công nghệ dựa trên Si thông thường. Điều này có nghĩa là các khách hàng công nghiệp và y tế có thể mong đợi một thế hệ nguồn điện AC / DC mới phù hợp với các vỏ bọc nhỏ hơn nhiều với khả năng sinh nhiệt tối thiểu. Vì GaN đặc biệt phù hợp với cấu trúc liên kết bay trở lại có EMI thấp, cộng hưởng hiệu quả cao hoặc kẹp chủ động, nhiều bộ nguồn cồng kềnh sẽ được thay thế bằng thiết kế mới kiểu dáng đẹp có nghĩa là các sản phẩm trong tương lai sẽ được thiết kế xung quanh giao diện người dùng hơn là xung quanh bộ nguồn cồng kềnh.
Ví dụ: các sản phẩm AC / DC hỗ trợ GaN thế hệ tiếp theo của RECOM sẽ cung cấp nguồn điện AC / DC 60W với kích thước 3 ”x1.6” thay vì 4 ”x 2” tiêu chuẩn ngành, giảm 40%. về kích thước cho cùng một công suất phát.
Các giải pháp điện SiC & GaN sáng tạo mới nhất giúp các hệ thống công nghiệp và ô tô trở nên thông minh hơn và xanh hơn
Stefan Obsersriebnig trả lời rằng làm cho cuộc sống dễ dàng hơn, an toàn hơn và xanh hơn là sứ mệnh của Infineon. Sản phẩm của chúng tôi đang được phát triển để hỗ trợ một tương lai bền vững hơn. Chúng tôi đã thêm các sản phẩm rời dựa trên SMD mới cung cấp khả năng gắn khuôn vượt trội và độ ổn định chu kỳ nhiệt. Các mô-đun dựa trên AlN mới được khởi chạy với SiC. Các thiết bị 650V hiện đã bổ sung cho việc cung cấp CoolMOS. IPM 1200V SiC đầu tiên trên toàn thế giới cũng đã được ra mắt. Thế giới ô tô đang phát triển với tốc độ chưa từng có.
Tại Infineon, chúng tôi nhìn lại 40 năm thành công và chuyên môn đã được chứng minh trong việc cung cấp chất bán dẫn chất lượng cao để cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện tử cho ngành công nghiệp ô tô. Một trong những niềm tin cốt lõi là làm cho ô tô trở nên xanh hơn và do đó, Infineon đang liên tục đầu tư vào các công nghệ để cho phép quá trình chuyển đổi sang phương tiện điện tử nhanh hơn và hiệu quả hơn. Các giải pháp dựa trên Infineon WBG cho phép giảm kích thước hệ thống lên đến 80% nhờ mật độ năng lượng cao hơn, ít nỗ lực làm mát hơn và số lượng thành phần thụ động thấp hơn. Khách hàng của chúng tôi có thể tăng mật độ điện năng và hiệu suất chuyển đổi điện năng. Cả hai hướng tối ưu hóa đều là chìa khóa, đặc biệt là trong phân khúc xe điện khi hiệu suất cao hơn có thể mở rộng phạm vi lái xe và mật độ năng lượng giúp đơn giản hóa thiết kế và cho phép lắp pin dung lượng cao hơn trong cùng một thân xe.
Điện tử công suất dựa trên SiC cho biến tần chính xEV và Điện tử sạc (bộ chuyển đổi DC-DC OBC + HV) đang tăng tốc; điều này đặc biệt đúng trong phân khúc ô tô cao cấp ngày nay và ô tô hạng phổ thông vào ngày mai. Để kích hoạt thiết bị điện tử năng lượng xanh, Infineon đang đầu tư vào danh mục sản phẩm đa dạng cung cấp SiC - các giải pháp dựa trên SiC 750 V và 1200 V. Trong lĩnh vực ô tô, danh mục đầu tư được mở rộng thêm bằng các sản phẩm dựa trên MOSFET và các giải pháp hybrid. GaN có thể là sản phẩm kế thừa tiềm năng của SiC để cho phép mật độ công suất cao hơn nữa trong tương lai, và do đó Infineon cũng sẽ phát triển các giải pháp dựa trên GaN cho lĩnh vực ô tô.
Steve Roberts đã trả lời một cách kinh ngạc rằng Cả hai bóng bán dẫn SiC và GaN đều chuyển đổi nhanh hơn, sạch hơn và có hiệu suất nhiệt tổng thể tốt hơn IGBT (SiC thông qua hóa học của nó - cacbua silicon có độ dẫn nhiệt tốt hơn khoảng 3.5 lần so với Silicon và GaN thông qua tổn thất rất thấp và SMD hiệu quả đóng gói), nhưng đối với nhiều ứng dụng, MOSFET siêu tiếp giáp và IGBT vẫn cung cấp hiệu suất chấp nhận được với mức giá thấp hơn nhiều. Vì vậy, đối với nhiều ứng dụng công nghiệp nhạy cảm về giá cả, các công nghệ dựa trên silicon vẫn có lợi thế hơn các công nghệ hóa học mới; Ít nhất cho tới hiện tại.
Hơn nữa, vì các bóng bán dẫn WBG vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, công nghệ IGBT hoàn thiện hơn cung cấp điện áp và dòng chuyển đổi cao hơn so với các đối thủ trẻ hơn của nó:
Tuy nhiên, có một số ứng dụng chính mà lợi thế về hiệu suất của WBG là rất quan trọng: Xe điện (EV) đòi hỏi hiệu suất cao hơn (tần số chuyển mạch cao hơn) và hiệu suất nhiệt tốt hơn (tổn thất chuyển mạch thấp hơn) so với các công nghệ dựa trên Silicon hiện có.
Hiệu suất tổng thể của một chiếc EV plug-in hiện vào khoảng 60% (chuyển đổi điện năng thành động năng của xe). WBG đưa ra triển vọng cải thiện khả năng kiểm soát điện năng và hiệu quả sạc pin để hiệu suất tổng thể tăng lên 72%. Điều này cho thấy phạm vi hiệu quả tăng hơn 20% mà không cần thay đổi công nghệ pin hiện có. Triển vọng ứng dụng EV khối lượng lớn này rất hấp dẫn đối với công nghệ SiC và GaN.
Tuy nhiên, có một số ứng dụng chính mà lợi thế về hiệu suất của WBG là rất quan trọng: Xe điện (EV) đòi hỏi hiệu suất cao hơn (tần số chuyển mạch cao hơn) và hiệu suất nhiệt tốt hơn (tổn thất chuyển mạch thấp hơn) so với các công nghệ dựa trên Silicon hiện có.
Tác giả đóng góp:
sheeba chauhan
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaNhiên liệu Hydro có phải là Tương lai?
-
sheeba chauhanhttps://www.eletimes.com/author/sheebaHình dáng nhà máy của chúng tôi: Sản xuất trong kỷ nguyên hậu đại dịch