La forza trainante per lo sviluppo di nuovi prodotti e tecnologie nel campo dell'elettronica di potenza deriva dalla crescente domanda del mercato per una maggiore densità di potenza, una maggiore integrazione di sistema, robustezza e maggiore affidabilità. Allo stesso tempo, il mercato richiede prodotti a basso costo, interfacce standardizzate, scalabilità flessibile e modularità. Negli ultimi anni, il focus del settore dell'elettronica di potenza si è concentrato principalmente sulla ricerca, sviluppo e aggiornamento di nuovi circuiti integrati di alta potenza posizionati in specifici mercati di riferimento. Ciò ha portato non solo alla produzione di moduli IGBT standard, ma anche di alcuni tipi speciali di moduli ottimizzati per soddisfare le specifiche esigenze del cliente. I moduli della serie a bassa perdita sono ottimizzati per ridurre la caduta di tensione in stato on. Tuttavia, a causa della sua perdita di commutazione molto elevata, è significativo utilizzare questo tipo di modulo solo in applicazioni con frequenze di commutazione inferiori. Di conseguenza, l'industria ha sviluppato anche moduli ultraveloci utilizzati nel campo delle alte frequenze di commutazione. A causa della piccola corrente di coda, questi moduli IGBT sono ideali per convertitori di commutazione risonanti. Inoltre, la nuova generazione di moduli integrati di potenza ha una maggiore densità di potenza ed efficienza senza modificare il volume del modulo. I nuovi IGBT a trincea e gli IGBT soft punch-through sono al centro della ricerca e dello sviluppo futuri in questa direzione, aumentando così ulteriormente la gamma di opzioni di moduli disponibili. La densità di corrente del modulo composto da IGBT di trincea di ultima generazione e diodi a ruota libera per il controllo della durata della portante assiale raggiunge i 200 A/cm2 (Figura 1). Una densità di corrente così elevata rende più efficiente la dimensione del pacchetto esistente, vale a dire che l'area del chip richiesta dal livello di corrente esistente diminuirà gradualmente. Ad esempio, nel 1999, la corrente nominale del modulo semiponte da 1200 V più grande di SEMIKRON' era di 400 A, ma oggi lo stesso pacchetto può fornire una corrente di 600 A. A causa del continuo miglioramento della densità di potenza, i produttori e gli utenti dei moduli di potenza devono spesso affrontare nuove sfide.
Figura 1 Lo sviluppo della densità di corrente
Per un periodo di tempo, il volume dei convertitori di potenza non dipende più dalle dimensioni dei moduli a semiconduttore di potenza, ma da componenti passivi come condensatori, induttori e filtri. Questo fenomeno è particolarmente vero per gli azionamenti a bassa potenza, come si può vedere da un rapporto di ricerca di (1) ECPE (Centro europeo per l'elettronica di potenza). Per le moderne unità inferiori a 2,2 kW, il pacchetto del modulo a semiconduttore di potenza rappresenta solo il 6% dell'intero volume del dispositivo, che è approssimativamente equivalente al volume occupato dal terminale del cavo. Il banco di condensatori del collegamento CC rappresenta circa il 12% del volume, ovvero due dei dispositivi di potenza. Il componente che occupa lo spazio maggiore è la scheda di controllo (circa il 23% del volume), perché contiene non solo i circuiti di pilotaggio e controllo, ma anche l'alimentatore e i filtri EMI (Figura 2). Tale tendenza si sta estendendo anche ai sistemi di conversione ad alta potenza. I dispositivi elettronici di potenza stanno diventando sempre più piccoli, ma il volume dei componenti passivi, dei cavi e dei terminali del circuito principale è sostanzialmente invariato.
Figura 2 Confronto di vari componenti/volumi su un moderno drive da 2,2 kW
Al giorno d'oggi, la dimensione dei dispositivi di potenza non dipende più dall'area occupata dai chip a semiconduttore, ma dai terminali del circuito principale. Pertanto, non è realistico aspettarsi di ridurre il volume dei moduli elettronici di potenza in modo da ridurre i costi e ottenere lo stesso grado di riduzione delle dimensioni del chip. Inoltre, in presenza di vibrazioni, grandi sezioni dei cavi e sbarre DC causeranno al modulo sollecitazioni relativamente elevate e questi fattori potrebbero persino avere un effetto negativo sull'affidabilità dei componenti di collegamento. Pertanto, anche i componenti antistress e i componenti di rinforzo meccanico aggiuntivi per i circuiti CC svolgono un ruolo importante nella progettazione dei convertitori di potenza. La densità di potenza sempre crescente nei moduli a semiconduttore sta causando sempre più problemi di dissipazione del calore per gli utenti. Quando la potenza rimane la stessa, il volume del modulo diventa sempre più piccolo e il valore della perdita di potenza del modulo di potenza del volume dell'unità aumenta gradualmente, il che comporta requisiti più elevati per il radiatore. In un sistema di raffreddamento ad aria forzata, a causa dell'affidabilità, di solito è improbabile che venga utilizzata la potenza massima del modulo, poiché non consigliamo agli utenti di aumentare la temperatura del radiatore. Pertanto, per utilizzare al meglio il radiatore, è necessario disperdere la fonte di calore per evitare punti caldi. Lanciando il modulo SEMiX®, SEMIKRON ha proposto un nuovo punto di riferimento che utilizza un singolo modulo a mezzo ponte invece di un modulo integrato a sei tubi nei componenti di potenza. Quando si utilizza il raffreddamento ad aria forzata, i moduli possono essere installati a intervalli. A causa del corrispondente effetto di conduzione termica, la temperatura del substrato del modulo è molto più bassa, il che può aumentare la potenza di uscita. La Figura 3 mostra l'effetto positivo della trasmissione del calore. In questo esempio, se i moduli vengono installati sul dissipatore ad intervalli, la temperatura massima del dissipatore viene ridotta da 96°C a 91°C. Naturalmente, il modulo a mezzo ponte può anche essere sostituito da un modulo a pacchetto a sei tubi integrato. In questo caso, se si utilizza il raffreddamento ad acqua, è possibile ottenere una soluzione compatta con una maggiore densità di potenza.
Da tempo alcune persone hanno concentrato la loro ricerca sullo sviluppo di nuove tecnologie di montaggio e connessione per adattarsi all'utilizzo di nuovi chip con densità di corrente crescente. Finora, nessuna singola tecnologia ha avuto un successo completo a causa dei limiti di affidabilità e flessibilità. Inoltre, lo sviluppo di nuove tecnologie di connessione è guidato anche da una maggiore integrazione (circuiti di pilotaggio e componenti passivi) e dalla tecnologia di dissipazione del calore su due lati per i chip dei moduli. Grazie all'uso di circuiti stampati multistrato, dispositivi metallizzati, pacchetti di saldatura e persino circuiti stampati curvi (2), sono stati compiuti grandi progressi nella tecnologia di connessione. L'uso di queste tecnologie altamente integrate nei moduli elettronici di potenza commerciali è solo una questione di tempo. Sviluppo della piattaforma di prodotto Oltre alle sfide tecniche sopra menzionate, anche le piattaforme di prodotto nel campo dell'elettronica di potenza svolgono un ruolo sempre più importante. Il cosiddetto sviluppo della piattaforma di prodotto qui si riferisce allo sviluppo di moduli di base, che sono piattaforme per lo sviluppo o la progettazione di diverse serie di prodotti. Ad esempio, quando vediamo lo stesso motore di un'auto e componenti del telaio su diversi modelli di auto dello stesso produttore, si può dire che l'industria automobilistica è il precursore di questa"piattaforma di prodotto" concetto. Anche i nostri clienti stanno implementando la stessa strategia durante lo sviluppo e la produzione di convertitori, ma il problema è che le loro attività di sviluppo non hanno ricevuto un supporto sufficiente dai produttori di semiconduttori. Nei moduli a semiconduttore attualmente in vendita sul mercato ci sono troppe incongruenze nei diversi modelli e tecnologie di connessione. Il risultato è che è difficile per i clienti produrre varie serie di convertitori con prestazioni costanti basate su componenti e moduli standard. A causa del lancio della piattaforma di prodotti SEMiX®, SEMIKRON si impegna a fornire una soluzione per i moduli nella gamma 15-150kW. La Figura 4 illustra il concetto della piattaforma di prodotti SEMiX®. Sulla base del modulo base, possono essere prodotte diverse versioni di modulo per diverse gamme di potenza, topologie, livelli di integrazione e diverse forme di confezionamento, in modo da soddisfare tempestivamente le esigenze di specifici utenti.
Per diversi livelli di corrente e strutture topologiche, il modulo di base stesso ha quattro diversi tipi di imballaggio del modulo. Tuttavia, questi quattro pacchetti si basano sulla stessa piattaforma di componenti interni, il che significa che l'interfaccia tra il collegamento CC e il circuito di azionamento è coerente per l'intera gamma di potenza. Il lancio di SEMiX ci consente di fare scorta di questo modulo di prodotto standard di pre-produzione, in modo che i prodotti personalizzati possano essere prodotti e consegnati rapidamente. Per i progettisti di convertitori, ciò significa che misurare la potenza e le funzioni dei componenti del modulo è più semplice e può anche ridurre la complessità del processo di sviluppo e il tempo necessario. Su questa base, per soddisfare la topologia personalizzata del cliente'e realizzare la continua estensione della serie di prodotti del cliente'. L'ulteriore richiesta del mercato è il collegamento ottimizzato delle periferiche del modulo di alimentazione. Include terminali del circuito principale corti e adattabili e il collegamento del circuito integrato del convertitore. Per la prima volta, la piattaforma SEMiX ha installato il circuito di azionamento direttamente sul modulo di potenza, il che ha reso il percorso di connessione molto breve. Conclusione Grazie alla superba tecnologia dei chip, la densità di corrente dei moderni semiconduttori di potenza è aumentata di circa il 50% rispetto ai semiconduttori di potenza degli ultimi anni. Questo sviluppo aumenta direttamente i requisiti per l'integrazione dei componenti e la tecnologia di connessione nei moduli a semiconduttore di potenza, nonché i requisiti per la dissipazione del calore del dispositivo. Per i sistemi di raffreddamento ad aria forzata sono stati superati diversi fattori limitanti che non favoriscono la riduzione dei costi. Tenendo conto di indicatori tecnici come la perdita di conduzione diretta ottimale e l'elevata frequenza di commutazione, molte tecnologie di chip esistenti presentano vantaggi corrispondenti ad applicazioni specifiche. Con il lancio della nuova serie di moduli di SEMIX', SEMIKRON è in grado di fornire un'ampia gamma di prodotti modulari in grado di realizzare soluzioni specifiche per il cliente. La serie di prodotti SEMIX verrà continuamente aggiunta e ampliata nei prossimi anni.