De drijvende kracht voor de ontwikkeling van nieuwe producten en technologieën op het gebied van vermogenselektronica komt van de groeiende vraag van de markt' naar een hogere vermogensdichtheid, grotere systeemintegratie, robuustheid en hogere betrouwbaarheid. Tegelijkertijd vraagt de markt om goedkope producten, gestandaardiseerde interfaces, flexibele schaalbaarheid en modulariteit. In de afgelopen jaren lag de focus van de vermogenselektronica vooral op het onderzoek, de ontwikkeling en verbetering van nieuwe high-power geïntegreerde schakelingen die in specifieke doelmarkten zijn gepositioneerd. Dit leidde niet alleen tot de productie van standaard IGBT-modules, maar ook tot enkele speciale typen modules die zijn geoptimaliseerd om aan specifieke klantbehoeften te voldoen. De seriemodules met laag verlies zijn geoptimaliseerd voor het verminderen van de spanningsval in de toestand. Vanwege het zeer hoge schakelverlies is het echter alleen zinvol om dit type module te gebruiken in toepassingen met lagere schakelfrequenties. In overeenstemming hiermee heeft de industrie ook ultrasnelle modules ontwikkeld die worden gebruikt op het gebied van hoge schakelfrequenties. Door de kleine staartstroom zijn deze IGBT-modules ideaal voor resonante schakelomvormers. Bovendien hebben de nieuwe generatie van stroomgeïntegreerde modules een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie zonder het modulevolume te veranderen. Nieuwe sleuf-IGBT's en soft punch-through IGBT's zijn de focus van toekomstig onderzoek en ontwikkeling in deze richting, waardoor het scala aan beschikbare module-opties verder wordt vergroot. De stroomdichtheid van de module die is samengesteld uit de nieuwste generatie sleuf-IGBT's en vrijloopdiodes voor de levensduur van axiale dragers, bereikt 200A/cm2 (Figuur 1). Een dergelijke hoge stroomdichtheid maakt de bestaande pakketgrootte efficiënter, dat wil zeggen dat het chipoppervlak dat nodig is voor het bestaande stroomniveau geleidelijk zal afnemen. Bijvoorbeeld, in 1999 was de nominale stroomsterkte van SEMIKRON's grootste 1200V halfbrugmodule 400A, maar tegenwoordig kan hetzelfde pakket 600A stroom leveren. Door de voortdurende verbetering van de vermogensdichtheid worden fabrikanten en gebruikers van voedingsmodules vaak geconfronteerd met nieuwe uitdagingen.
Figuur 1 De ontwikkeling van stroomdichtheid
Het volume van vermogensomvormers hangt een tijdlang niet meer af van de grootte van vermogenshalfgeleidermodules, maar van passieve componenten zoals condensatoren, inductoren en filters. Dit fenomeen geldt vooral voor aandrijvingen met een laag vermogen, zoals blijkt uit een onderzoeksrapport van (1) ECPE (European Centre for Power Electronics). Voor moderne aandrijvingen van minder dan 2,2 kW maakt het pakket van de vermogenshalfgeleidermodule slechts 6% uit van het totale apparaatvolume, wat ongeveer gelijk is aan het volume dat wordt ingenomen door de kabelterminal. De condensatorbank van de DC-link is goed voor ongeveer 12% van het volume, wat twee van de stroomapparaten is. Het onderdeel dat de meeste ruimte in beslag neemt, is de besturingsprintplaat (ongeveer 23% van het volume), omdat deze niet alleen de aandrijf- en besturingscircuits bevat, maar ook de voedingseenheid en EMI-filters (Figuur 2). Een dergelijke trend breidt zich ook uit naar high-power conversiesystemen. Vermogenselektronische apparaten worden kleiner en kleiner, maar het volume van passieve componenten, kabels en hoofdcircuitterminals is in principe ongewijzigd.
Figuur 2 Vergelijking van verschillende componenten/volumes op een moderne 2,2kW schijf
Tegenwoordig hangt de grootte van vermogensapparaten niet langer af van het gebied dat wordt ingenomen door halfgeleiderchips, maar van de hoofdcircuitklemmen. Daarom is het voor mensen onrealistisch om te verwachten dat het volume van vermogenselektronische modules wordt verminderd om de kosten te verlagen en dezelfde mate te bereiken als het verkleinen van de chipgrootte. Bovendien zullen in aanwezigheid van trillingen grote kabeldoorsneden en gelijkstroomrails relatief veel spanning op de module veroorzaken, en deze factoren kunnen zelfs een negatief effect hebben op de betrouwbaarheid van de verbindingscomponenten. Daarom spelen spanningsverlichtende componenten en aanvullende mechanische versterkingscomponenten voor DC-circuitverbindingen ook een belangrijke rol bij het ontwerp van stroomomvormers. De steeds toenemende vermogensdichtheid in halfgeleidermodules veroorzaakt steeds meer problemen met warmteafvoer voor gebruikers. Wanneer het vermogen gelijk blijft, wordt het modulevolume kleiner en kleiner en neemt de vermogensverlieswaarde van de vermogensmodule van het unitvolume geleidelijk toe, wat hogere eisen stelt aan de radiator. In een geforceerd luchtkoelsysteem is het vanwege de betrouwbaarheid meestal onwaarschijnlijk dat het maximale vermogen van de module wordt gebruikt, omdat we gebruikers niet aanbevelen om de temperatuur van de radiator te verhogen. Daarom is het, om optimaal gebruik te maken van de radiator, noodzakelijk om de warmtebron te verspreiden om hete plekken te vermijden. Door de SEMiX®-module te lanceren, heeft SEMIKRON een nieuwe benchmark voorgesteld die een enkele halve-brugmodule gebruikt in plaats van een geïntegreerde zes-buizenpakketmodule in stroomcomponenten. Wanneer geforceerde luchtkoeling wordt gebruikt, kunnen modules met tussenpozen worden geïnstalleerd. Vanwege het overeenkomstige thermische geleidingseffect is de temperatuur van het modulesubstraat veel lager, wat het uitgangsvermogen kan verhogen. In figuur 3 is het positieve effect van warmteoverdracht weergegeven. In dit voorbeeld, als de modules met tussenpozen op het koellichaam worden geïnstalleerd, wordt de maximale temperatuur van het koellichaam verlaagd van 96°C naar 91°C. Natuurlijk kan de halfbrugmodule ook worden vervangen door een geïntegreerde zesbuizenpakketmodule. In dit geval kan, als waterkoeling wordt gebruikt, een compacte oplossing met een hogere vermogensdichtheid worden bereikt.
Sinds enige tijd hebben sommige mensen hun onderzoek gericht op het ontwikkelen van nieuwe montage- en verbindingstechnologieën om zich aan te passen aan het gebruik van nieuwe chips met toenemende stroomdichtheid. Tot nu toe is geen enkele technologie volledig succesvol geweest vanwege de beperkingen van betrouwbaarheid en flexibiliteit. Daarnaast wordt de ontwikkeling van nieuwe verbindingstechnologieën ook aangedreven door een grotere integratie (aandrijfcircuits en passieve componenten) en dubbelzijdige warmteafvoertechnologie voor modulechips. Door het gebruik van meerlaagse printplaten, gemetalliseerde apparaten, soldeerpakketten en zelfs gebogen printplaten (2) is er grote vooruitgang geboekt in de verbindingstechnologie. Het gebruik van deze sterk geïntegreerde technologieën in commerciële vermogenselektronicamodules is slechts een kwestie van tijd. Productplatformontwikkeling Naast bovengenoemde technische uitdagingen spelen ook productplatforms op het gebied van vermogenselektronica een steeds grotere rol. De zogenaamde productplatformontwikkeling verwijst hier naar de ontwikkeling van basismodules, dit zijn platforms voor het ontwikkelen of ontwerpen van verschillende productseries. Als we bijvoorbeeld dezelfde automotor- en chassiscomponenten zien op verschillende automodellen van dezelfde fabrikant, kan worden gezegd dat de auto-industrie de voorloper is van dit"productplatform" concept. Onze klanten voeren dezelfde strategie ook door tijdens de ontwikkeling en productie van converters, maar het probleem is dat hun ontwikkelingsactiviteiten onvoldoende ondersteund worden door halfgeleiderfabrikanten. In de halfgeleidermodules die momenteel op de markt worden verkocht, zijn er te veel inconsistenties in verschillende modellen en verbindingstechnologieën. Het resultaat is dat het voor klanten moeilijk is om verschillende converterseries te vervaardigen met consistente prestaties op basis van standaardcomponenten en modules. Met de lancering van het SEMiX®-productplatform zet SEMIKRON zich in om een oplossing te bieden voor modules in het bereik van 15-150 kW. Afbeelding 4 illustreert het concept van het SEMiX®-productplatform. Op basis van de basismodule kunnen verschillende moduleversies worden geproduceerd voor verschillende vermogensbereiken, topologieën, integratieniveaus en verschillende verpakkingsvormen, om tijdig aan de behoeften van specifieke gebruikers te voldoen.
Voor verschillende stroomniveaus en topologische structuren heeft de basismodule zelf vier verschillende soorten moduleverpakkingen. Deze vier pakketten zijn echter gebaseerd op hetzelfde interne componentenplatform, wat betekent dat de interface tussen de DC-link en het aandrijfcircuit consistent is over het gehele vermogensbereik. De lancering van SEMiX stelt ons in staat om deze pre-productie standaard productmodule in te slaan, zodat op maat gemaakte producten snel kunnen worden geproduceerd en geleverd. Voor ontwerpers van converters betekent dit dat het meten van het vermogen en de functies van de modulecomponenten eenvoudiger is, en het kan ook de complexiteit van het ontwikkelingsproces en de tijd die het kost verminderen. Op basis hiervan tegemoet komen aan de topologie van de klant' en de continue uitbreiding van de productreeks van de klant' realiseren. De verdere vraag van de markt is de geoptimaliseerde aansluiting van randapparatuur van de voedingsmodule. Het omvat korte en aanpasbare hoofdcircuitklemmen en de aansluiting van het geïntegreerde circuit van de omvormer. Voor de eerste keer installeerde het SEMiX-platform het aandrijfcircuit rechtstreeks op de voedingsmodule, waardoor het verbindingspad erg kort was. Conclusie Door de uitmuntende chiptechnologie is de stroomdichtheid van moderne vermogenshalfgeleiders met zo'n 50% toegenomen ten opzichte van de vermogenshalfgeleiders van de afgelopen jaren. Deze ontwikkeling verhoogt direct de vereisten voor componentintegratie en verbindingstechnologie in vermogenshalfgeleidermodules, evenals de vereisten voor warmteafvoer van apparaten. Voor geforceerde luchtkoelsystemen zijn verschillende beperkende factoren die niet bevorderlijk zijn voor kostenreductie overwonnen. Rekening houdend met technische indicatoren zoals optimaal voorwaartse geleidingsverlies en hoge schakelfrequentie, hebben veel bestaande chiptechnologieën voordelen die overeenkomen met specifieke toepassingen. Met de lancering van de nieuwe moduleserie van SEMIX', kan SEMIKRON een breed scala aan modulaire producten leveren waarmee klantspecifieke oplossingen kunnen worden gerealiseerd. De SEMIX-productserie zal de komende jaren continu worden toegevoegd en uitgebreid.