A força motriz para o desenvolvimento de novos produtos e tecnologias no campo da eletrônica de potência vem da crescente demanda do mercado' por maior densidade de potência, maior integração de sistema, robustez e maior confiabilidade. Ao mesmo tempo, o mercado exige produtos de baixo custo, interfaces padronizadas, escalabilidade flexível e modularidade. Nos últimos anos, o foco do campo da eletrônica de potência tem se concentrado principalmente na pesquisa, desenvolvimento e atualização de novos circuitos integrados de alta potência posicionados em mercados-alvo específicos. Isso não só levou à produção de módulos IGBT padrão, mas também de alguns tipos especiais de módulos otimizados para atender às necessidades específicas do cliente. Os módulos da série de baixa perda são otimizados para reduzir a queda de tensão no estado ligado. No entanto, devido à sua perda de comutação muito alta, só faz sentido usar este tipo de módulo em aplicações com frequências de comutação mais baixas. Correspondendo a isso, a indústria também desenvolveu módulos ultrarrápidos usados no campo de altas frequências de comutação. Devido à pequena corrente de cauda, esses módulos IGBT são ideais para conversores de chaveamento ressonante. Além disso, a nova geração de módulos integrados de energia tem maior densidade e eficiência de energia sem alterar o volume do módulo. Novos IGBTs de trincheira e IGBTs de perfuração suave são o foco de pesquisas e desenvolvimentos futuros nessa direção, aumentando ainda mais a gama de opções de módulos disponíveis. A densidade de corrente do módulo composto pela última geração de IGBTs de vala e diodos de giro livre de controle de vida útil da portadora axial chega a 200A / cm2 (Figura 1). Essa alta densidade de corrente torna o tamanho da embalagem existente mais eficiente, ou seja, a área de chip exigida pelo nível de corrente existente diminuirá gradualmente. Por exemplo, em 1999, a maior corrente nominal do módulo de meia-ponte de 1200 V da SEMIKRON&nº 39 era de 400 A, mas hoje o mesmo pacote pode fornecer corrente de 600 A. Devido à melhoria contínua da densidade de potência, os fabricantes e usuários de módulos de potência freqüentemente enfrentam novos desafios.
Figura 1 O desenvolvimento da densidade de corrente
Por um período de tempo, o volume dos conversores de energia não depende mais do tamanho dos módulos semicondutores de energia, mas de componentes passivos, como capacitores, indutores e filtros. Este fenômeno é especialmente verdadeiro para drives de baixa potência, o que pode ser visto em um relatório de pesquisa do (1) ECPE (Centro Europeu de Eletrônica de Potência). Para drives modernos abaixo de 2,2 kW, o pacote do módulo semicondutor de potência representa apenas 6% de todo o volume do dispositivo, o que é aproximadamente equivalente ao volume ocupado pelo terminal do cabo. O banco de capacitores do link CC responde por cerca de 12% do volume, que é dois dos dispositivos de alimentação. O componente que ocupa o maior espaço é a placa de controle (aproximadamente 23% do volume), pois ela contém não apenas os circuitos de acionamento e controle, mas também a fonte de alimentação e os filtros EMI (Figura 2). Essa tendência também está se estendendo aos sistemas de conversão de alta potência. Dispositivos eletrônicos de potência estão se tornando cada vez menores, mas o volume dos componentes passivos, cabos e terminais do circuito principal permanecem basicamente inalterados.
Figura 2 Comparação de vários componentes / volumes em uma unidade moderna de 2,2 kW
Hoje em dia, o tamanho dos dispositivos de potência não depende mais da área ocupada pelos chips semicondutores, mas dos terminais do circuito principal. Portanto, não é realista para as pessoas esperar reduzir o volume dos módulos eletrônicos de potência de modo a reduzir custos e atingir o mesmo grau de redução do tamanho do chip. Além disso, na presença de vibração, grandes seções transversais de cabo e barramentos CC causarão uma tensão relativamente grande no módulo e esses fatores podem até ter um efeito negativo na confiabilidade dos componentes de conexão. Portanto, componentes de alívio de tensão e componentes de reforço mecânico adicionais para links de circuito CC também desempenham um papel importante no projeto de conversores de energia. A densidade de potência cada vez maior em módulos semicondutores está causando cada vez mais problemas de dissipação de calor para os usuários. Quando a potência permanece a mesma, o volume do módulo torna-se cada vez menor e o valor de perda de potência do módulo de potência de volume da unidade aumenta gradualmente, o que impõe requisitos mais elevados ao radiador. Em um sistema de resfriamento com ar forçado, por causa da confiabilidade, geralmente é improvável usar a potência máxima do módulo, porque não recomendamos aos usuários que aumentem a temperatura do radiador. Portanto, para o melhor aproveitamento do radiador, é necessário dispersar a fonte de calor para evitar pontos quentes. Ao lançar o módulo SEMiX®, a SEMIKRON propôs um novo benchmark que usa um único módulo de meia ponte em vez de um módulo de pacote de seis tubos integrado em componentes de energia. Quando o resfriamento de ar forçado é usado, os módulos podem ser instalados em intervalos. Devido ao efeito de condução térmica correspondente, a temperatura do substrato do módulo é muito mais baixa, o que pode aumentar a potência de saída. A Figura 3 mostra o efeito positivo da transmissão de calor. Neste exemplo, se os módulos forem instalados no dissipador de calor em intervalos, a temperatura máxima do dissipador será reduzida de 96 ° C para 91 ° C. Obviamente, o módulo de meia ponte também pode ser substituído por um módulo de pacote de seis tubos integrado. Nesse caso, se o resfriamento com água for usado, uma solução compacta com densidade de potência mais alta pode ser alcançada.
Há algum tempo, algumas pessoas concentram suas pesquisas no desenvolvimento de novas tecnologias de montagem e conexão para se adaptar ao uso de novos chips com o aumento da densidade de corrente. Até agora, nenhuma tecnologia isolada foi completamente bem-sucedida devido às limitações de confiabilidade e flexibilidade. Além disso, o desenvolvimento de novas tecnologias de conexão também é impulsionado por uma maior integração (circuitos de acionamento e componentes passivos) e tecnologia de dissipação de calor de dupla face para chips de módulo. Devido ao uso de placas de circuito multicamadas, dispositivos metalizados, pacotes de soldagem e até mesmo placas de circuito curvas (2), um grande progresso foi feito na tecnologia de conexão. O uso dessas tecnologias altamente integradas em módulos eletrônicos de potência comerciais é apenas uma questão de tempo. Desenvolvimento de plataforma de produto Além dos desafios técnicos mencionados acima, as plataformas de produto no campo da eletrônica de potência também desempenham um papel cada vez mais importante. O chamado desenvolvimento de plataforma de produto aqui se refere ao desenvolvimento de módulos básicos, que são plataformas para desenvolver ou projetar diferentes séries de produtos. Por exemplo, quando vemos o mesmo motor de carro e componentes de chassi em diferentes modelos de carro do mesmo fabricante, pode-se dizer que a indústria automotiva é a precursora desta" plataforma de produtos" conceito. Nossos clientes também estão implementando a mesma estratégia durante o desenvolvimento e a produção de conversores, mas o problema é que suas atividades de desenvolvimento não receberam suporte suficiente dos fabricantes de semicondutores. Nos módulos semicondutores atualmente vendidos no mercado, existem muitas inconsistências em diferentes modelos e tecnologias de conexão. O resultado é que é difícil para os clientes fabricar várias séries de conversores com desempenho consistente com base em componentes e módulos padrão. Devido ao lançamento da plataforma de produtos SEMiX®, a SEMIKRON está comprometida em fornecer uma solução para módulos na faixa de 15-150kW. A Figura 4 ilustra o conceito da plataforma de produtos SEMiX®. Com base no módulo básico, diferentes versões de módulo podem ser produzidas para diferentes faixas de potência, topologias, níveis de integração e diferentes formas de embalagem, de forma a atender às necessidades de usuários específicos em tempo hábil.
Para diferentes níveis de corrente e estruturas topológicas, o próprio módulo básico tem quatro tipos diferentes de embalagem de módulo. No entanto, esses quatro pacotes são baseados na mesma plataforma de componentes internos, o que significa que a interface entre o link CC e o circuito do inversor é consistente em toda a faixa de potência. O lançamento do SEMiX nos permite estocar este módulo de produto padrão de pré-produção, para que produtos customizados possam ser produzidos e entregues rapidamente. Para projetistas de conversores, isso significa que medir a potência e as funções dos componentes do módulo é mais simples e também pode reduzir a complexidade do processo de desenvolvimento e o tempo que leva. Com base nisso, para atender a topologia personalizada do cliente' s e realizar a extensão contínua da série de produtos do cliente' s. A outra demanda do mercado é a conexão otimizada de periféricos do módulo de potência. Inclui terminais de circuito principal curtos e adaptáveis e a conexão do circuito integrado do inversor. Pela primeira vez, a plataforma SEMiX instalou o circuito de acionamento diretamente no módulo de potência, o que tornou o caminho de conexão muito curto. Conclusão Devido à excelente tecnologia de chip, a densidade de corrente dos semicondutores de potência modernos aumentou cerca de 50% em comparação com os semicondutores de potência dos últimos anos. Este desenvolvimento aumenta diretamente os requisitos para integração de componentes e tecnologia de conexão em módulos de semicondutores de potência, bem como os requisitos para dissipação de calor do dispositivo. Para sistemas de resfriamento a ar forçado, vários fatores limitantes que não conduzem à redução de custos foram superados. Levando em consideração indicadores técnicos, como perda de condução direta ideal e alta frequência de chaveamento, muitas tecnologias de chip existentes têm vantagens correspondentes a aplicações específicas. Com o lançamento da nova série de módulos da SEMIX' a SEMIKRON pode fornecer uma ampla gama de produtos modulares que podem realizar soluções específicas do cliente. A série de produtos SEMIX será continuamente adicionada e expandida nos próximos anos.