La fuerza impulsora para el desarrollo de nuevos productos y tecnologías en el campo de la electrónica de potencia proviene de la creciente demanda del mercado&de mayor densidad de potencia, mayor integración de sistemas, robustez y mayor confiabilidad. Al mismo tiempo, el mercado demanda productos de bajo costo, interfaces estandarizadas, escalabilidad flexible y modularidad. En los últimos años, el enfoque del campo de la electrónica de potencia se ha centrado principalmente en la investigación, el desarrollo y la mejora de nuevos circuitos integrados de alta potencia posicionados en mercados objetivo específicos. Esto no solo llevó a la producción de módulos IGBT estándar, sino también a algunos tipos especiales de módulos optimizados para satisfacer las necesidades específicas de los clientes. Los módulos de la serie de baja pérdida están optimizados para reducir la caída de voltaje en estado activo. Sin embargo, debido a su muy alta pérdida de conmutación, solo tiene sentido utilizar este tipo de módulo en aplicaciones con frecuencias de conmutación más bajas. En correspondencia con esto, la industria también ha desarrollado módulos ultrarrápidos utilizados en el campo de las altas frecuencias de conmutación. Debido a la pequeña corriente de cola, estos módulos IGBT son ideales para convertidores de conmutación resonantes. Además, la nueva generación de módulos integrados de energía tiene una mayor densidad de energía y eficiencia sin cambiar el volumen del módulo. Los nuevos IGBT de zanja y los IGBT de perforación suave son el foco de la investigación y el desarrollo futuros en esta dirección, lo que aumenta aún más la gama de opciones de módulos disponibles. La densidad de corriente del módulo compuesto por la última generación de IGBT de trinchera y diodos de rueda libre de control de la vida útil del portador axial alcanza los 200 A / cm2 (Figura 1). Una densidad de corriente tan alta hace que el tamaño del paquete existente sea más eficiente, es decir, el área de chip requerida por el nivel de corriente existente disminuirá gradualmente. Por ejemplo, en 1999, la corriente nominal del módulo de medio puente de 1200 V más grande de SEMIKRON&era de 400 A, pero hoy el mismo paquete puede proporcionar una corriente de 600 A. Debido a la mejora continua de la densidad de energía, los fabricantes y los usuarios de módulos de energía a menudo enfrentan nuevos desafíos.
Figura 1 El desarrollo de la densidad de corriente
Durante un período de tiempo, el volumen de los convertidores de potencia ya no depende del tamaño de los módulos semiconductores de potencia, sino de componentes pasivos como condensadores, inductores y filtros. Este fenómeno es especialmente cierto para las unidades de baja potencia, que se puede ver en un informe de investigación de (1) ECPE (Centro Europeo de Electrónica de Potencia). Para las unidades modernas de menos de 2,2 kW, el paquete del módulo semiconductor de potencia solo representa el 6% del volumen total del dispositivo, lo que equivale aproximadamente al volumen ocupado por el terminal del cable. El banco de condensadores de enlace de CC representa aproximadamente el 12% del volumen, que son dos de los dispositivos de potencia. El componente que ocupa el mayor espacio es la placa de circuito de control (aproximadamente el 23% del volumen), porque contiene no solo los circuitos de control y accionamiento, sino también la unidad de alimentación y los filtros EMI (Figura 2). Esta tendencia también se está extendiendo a los sistemas de conversión de alta potencia. Los dispositivos electrónicos de potencia son cada vez más pequeños, pero el volumen de componentes pasivos, cables y terminales del circuito principal prácticamente no ha cambiado.
Figura 2 Comparación de varios componentes / volúmenes en una unidad moderna de 2,2 kW
Hoy en día, el tamaño de los dispositivos de potencia ya no depende del área ocupada por los chips semiconductores, sino de los terminales del circuito principal. Por lo tanto, no es realista que las personas esperen reducir el volumen de los módulos electrónicos de potencia para reducir los costos y lograr el mismo grado que la reducción del tamaño del chip. Además, en presencia de vibración, las grandes secciones transversales de cable y las barras colectoras de CC causarán una tensión relativamente grande en el módulo, y estos factores pueden incluso tener un efecto negativo en la confiabilidad de los componentes de conexión. Por lo tanto, los componentes que alivian la tensión y los componentes de refuerzo mecánico adicionales para los enlaces de circuitos de CC también juegan un papel importante en el diseño de convertidores de potencia. La densidad de potencia cada vez mayor en los módulos semiconductores está causando cada vez más problemas de disipación de calor para los usuarios. Cuando la potencia sigue siendo la misma, el volumen del módulo se vuelve cada vez más pequeño, y el valor de pérdida de potencia del módulo de potencia del volumen de la unidad aumenta gradualmente, lo que plantea requisitos más altos para el radiador. En un sistema de enfriamiento de aire forzado, debido a la confiabilidad, generalmente es poco probable que se use la potencia máxima del módulo, porque no recomendamos a los usuarios que aumenten la temperatura del radiador. Por lo tanto, para aprovechar al máximo el radiador, es necesario dispersar la fuente de calor para evitar puntos calientes. Al lanzar el módulo SEMiX®, SEMIKRON ha propuesto un nuevo punto de referencia que utiliza un solo módulo de medio puente en lugar de un módulo de paquete integrado de seis tubos en los componentes de potencia. Cuando se utiliza refrigeración por aire forzado, los módulos se pueden instalar a intervalos. Debido al efecto de conducción térmica correspondiente, la temperatura del sustrato del módulo es mucho más baja, lo que puede aumentar la potencia de salida. La figura 3 muestra el efecto positivo de la transmisión de calor. En este ejemplo, si los módulos se instalan en el disipador de calor a intervalos, la temperatura máxima del disipador de calor se reduce de 96 ° C a 91 ° C. Por supuesto, el módulo de medio puente también se puede reemplazar por un módulo de paquete integrado de seis tubos. En este caso, si se utiliza refrigeración por agua, se puede lograr una solución compacta con mayor densidad de potencia.
Durante algún tiempo, algunas personas han centrado su investigación en desarrollar nuevas tecnologías de montaje y conexión para adaptarse al uso de nuevos chips con una densidad de corriente creciente. Hasta ahora, ninguna tecnología ha sido completamente exitosa debido a las limitaciones de confiabilidad y flexibilidad. Además, el desarrollo de nuevas tecnologías de conexión también está impulsado por una mayor integración (circuitos de accionamiento y componentes pasivos) y tecnología de disipación de calor de doble cara para chips de módulo. Debido al uso de placas de circuito multicapa, dispositivos metalizados, paquetes de soldadura e incluso placas de circuito curvadas (2) se ha logrado un gran progreso en la tecnología de conexión. El uso de estas tecnologías altamente integradas en módulos electrónicos de potencia comerciales es solo una cuestión de tiempo. Desarrollo de plataformas de productos Además de los desafíos técnicos mencionados anteriormente, las plataformas de productos en el campo de la electrónica de potencia también juegan un papel cada vez más importante. El llamado desarrollo de plataforma de producto aquí se refiere al desarrollo de módulos básicos, que son plataformas para desarrollar o diseñar diferentes series de productos. Por ejemplo, cuando vemos el mismo motor de automóvil y componentes de chasis en diferentes modelos de automóvil del mismo fabricante, se puede decir que la industria automotriz es la precursora de esta" plataforma de productos" concepto. Nuestros clientes también están implementando la misma estrategia durante el desarrollo y la producción de convertidores, pero el problema es que sus actividades de desarrollo no han recibido suficiente apoyo de los fabricantes de semiconductores. En los módulos semiconductores que se venden actualmente en el mercado, existen demasiadas inconsistencias en diferentes modelos y tecnologías de conexión. El resultado es que a los clientes les resulta difícil fabricar varias series de convertidores con un rendimiento constante basado en componentes y módulos estándar. Debido al lanzamiento de la plataforma de productos SEMiX®, SEMIKRON se compromete a proporcionar una solución para módulos en el rango de 15-150kW. La Figura 4 ilustra el concepto de la plataforma de productos SEMiX®. Sobre la base del módulo básico, se pueden producir diferentes versiones de módulo para diferentes rangos de potencia, topologías, niveles de integración y diferentes formas de empaque, a fin de satisfacer las necesidades de usuarios específicos de manera oportuna.
Para diferentes niveles de corriente y estructuras topológicas, el módulo básico en sí tiene cuatro tipos diferentes de paquetes de módulos. Sin embargo, estos cuatro paquetes se basan en la misma plataforma de componentes internos, lo que significa que la interfaz entre el enlace de CC y el circuito de accionamiento es uniforme en todo el rango de potencia. El lanzamiento de SEMiX nos permite abastecernos de este módulo de producto estándar de preproducción, de modo que los productos personalizados se puedan producir y entregar rápidamente. Para los diseñadores de convertidores, esto significa que medir la potencia y las funciones de los componentes del módulo es más simple y también puede reducir la complejidad del proceso de desarrollo y el tiempo que lleva. Sobre esta base, para cumplir con la topología personalizada del cliente&y realizar la extensión continua de la serie de productos del cliente &. La demanda adicional del mercado es la conexión optimizada de los periféricos del módulo de potencia. Incluye terminales del circuito principal corto y adaptable y la conexión del circuito integrado del variador. Por primera vez, la plataforma SEMiX instaló el circuito de accionamiento directamente en el módulo de potencia, lo que hizo que la ruta de conexión fuera muy corta. Conclusión Debido a la excelente tecnología de chips, la densidad de corriente de los semiconductores de potencia modernos ha aumentado en aproximadamente un 50% en comparación con los semiconductores de potencia de los últimos años. Este desarrollo plantea directamente los requisitos para la integración de componentes y la tecnología de conexión en módulos de semiconductores de potencia, así como los requisitos para la disipación de calor del dispositivo. Para los sistemas de refrigeración por aire forzado, se han superado varios factores limitantes que no conducen a la reducción de costes. Teniendo en cuenta indicadores técnicos como la pérdida de conducción directa óptima y la alta frecuencia de conmutación, muchas tecnologías de chip existentes tienen ventajas correspondientes a aplicaciones específicas. Con el lanzamiento de la nueva serie de módulos de SEMIX &, SEMIKRON puede proporcionar una amplia gama de productos modulares que pueden realizar soluciones específicas para el cliente. La serie de productos SEMIX se agregará y ampliará continuamente en los próximos años.