Μονάδες ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα καινοτόμο νέο υλικό για εφαρμογές ισχύος, το οποίο υπόσχεται να αυξήσει την απόδοση του συστήματος, μειώνοντας παράλληλα το μέγεθος, το βάρος και τον παράγοντα μορφής του. Με θερμική αγωγιμότητα τριπλάσια από αυτή του πυριτίου και χαμηλότερες απώλειες μεταγωγής, επιτρέπει υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας και μεγαλύτερες τάσεις.

Οι μονάδες SiC διατίθενται σε μορφές 2-σε-1 που απλοποιούν τη διαμόρφωση κυκλωμάτων ημιγέφυρας, καθιστώντας τις ιδανικές για μετατροπείς έλξης HEV/EV ή για οποιαδήποτε εφαρμογή που απαιτεί μεγάλες περιόδους μέγιστης ζήτησης ρεύματος.

Υψηλή απόδοση

Οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) αποτελούν έναν από τους καλύτερους τρόπους για την ελαχιστοποίηση των απωλειών του συστήματος σε εφαρμογές υψηλής ισχύος. Το ευρύ ενεργειακό χάσμα τους επιτρέπει υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής και τάσεις, για αυξημένη απόδοση, ενώ ταυτόχρονα μειώνει το μέγεθος των παθητικών εξαρτημάτων. Το SiC προσφέρει επίσης πιο αξιόπιστη λειτουργία σε απαιτητικά περιβάλλοντα, καθώς έχει τριπλάσια θερμική αγωγιμότητα σε σχέση με το πυρίτιο.

Οι διακριτές συσκευές ισχύος SiC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια ευρεία ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών, ωστόσο μερικές φορές απαιτούνται υψηλότερες ονομαστικές τιμές ρεύματος από κρίσιμα συστήματα, όπως τα συστήματα αδιάλειπτης τροφοδοσίας (UPS) και οι φορτιστές μπαταριών. Η Mitsubishi Electric παρουσίασε μονάδες ισχύος 1200 V δεύτερης γενιάς, οι οποίες προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της πλήρους τεχνολογίας SiC σε εφαρμογές με υψηλότερες απαιτήσεις ρεύματος, πέραν αυτών που μπορούν να καλύψουν οι διακριτές συσκευές, σε μια εύχρηστη συσκευασία.

Αυτές οι μονάδες χρησιμοποιούν MOSFET SiC με δομές ημιγέφυρας και είναι κατάλληλες για διάφορες τοπολογίες μετατροπέων, όπως μετατροπείς DC/DC, αμφίδρομους μετατροπείς και μετατροπείς AC/AC. Σε σύγκριση με τις συμβατικές συσκευές πυριτίου, αυτές οι μονάδες μπορούν να μειώσουν τις απώλειες μεταγωγής έως και 70% και, κατά συνέπεια, να εξοικονομήσουν ενέργεια.

Αυτά τα δομοστοιχεία έχουν κατασκευαστεί με χαρακτηριστικά υψηλής αξιοπιστίας ώστε να πληρούν τα πρότυπα ποιότητας της αυτοκινητοβιομηχανίας και της βιομηχανίας, συμπεριλαμβανομένων δοκιμών «burn-in» πύλης σε επίπεδο πλακιδίου (wafer-level) και δοκιμών καταπόνησης αποχέτευσης HTRB για τη μείωση των ποσοστών εξωγενών αστοχιών· οι ονομαστικές τιμές βραχυκυκλώματος τα καθιστούν κατάλληλα για εφαρμογές κρίσιμες για την ασφάλεια· ο στιβαρός σχεδιασμός τους επιτρέπει τη λειτουργία σε θερμοκρασίες έως 230 °C, με υψηλές τάσεις διάσπασης και γρήγορους χρόνους ανάκαμψης, που συμβάλλουν στη μείωση κινδύνων όπως οι αλυσιδωτές διαρροές ή τα φαινόμενα «shoot-through».

Το SiC αποτελεί ιδανικό υλικό για συστήματα κίνησης κινητήρων, καθώς είναι ικανό να αντέχει σε υψηλότερες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τις παραδοσιακές συσκευές πυριτίου, αυξάνοντας παράλληλα την πυκνότητα ισχύος και βελτιώνοντας την απόδοση με την πάροδο του χρόνου. Επιπλέον, η αντοχή του SiC στη φθορά λόγω θερμότητας συνεπάγεται αυξημένη απόδοση για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Η μονάδα ημιαγωγών ισχύος 6,5 kV της Mitsubishi Electric, κατασκευασμένη εξ ολοκλήρου από SiC, έχει επιτύχει παγκοσμίως κορυφαία επίπεδα πυκνότητας ισχύος. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη μικρότερου μεγέθους και πιο ενεργειακά αποδοτικού εξοπλισμού ισχύος για συστήματα έλξης σιδηροδρομικών βαγονιών ή για δίκτυα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, διαθέτει αποκεντρωμένο έλεγχο που επιτρέπει τον συνδυασμό πολλαπλών μονάδων σε μία μεγαλύτερη μονάδα ισχύος, διευκολύνοντας έτσι τον σχεδιασμό του συστήματος.

Χαμηλό ρεύμα διαρροής

Οι ημιαγωγοί ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχουν αποκτήσει ολοένα και μεγαλύτερη δημοτικότητα λόγω των δυνατοτήτων τους για εξοικονόμηση ενέργειας στα προϊόντα ηλεκτρονικής ισχύος. Οι συσκευές SiC είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικές από τις αντίστοιχες συσκευές πυριτίου, λόγω του ευρύτερου ενεργειακού χάσματος, το οποίο απαιτεί λιγότερη ενέργεια για τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, ενώ λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και τάσεις με μειωμένες απώλειες μεταγωγής.

Οι μονάδες ισχύος με βάση το SiC προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα που τις καθιστούν την ιδανική λύση για εφαρμογές που απαιτούν αυξημένη απόδοση, ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής και βελτιωμένη αξιοπιστία, όπως μετατροπείς, φορτιστές ηλεκτρικών οχημάτων, ηλιακοί μετατροπείς και συστήματα οδήγησης κινητήρων. Δυστυχώς, η υψηλή θερμοκρασία τους μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένη καταπόνηση στη συγκόλληση μεταξύ τσιπ και υποστρώματος· με την πάροδο του χρόνου, αυτή η επαναλαμβανόμενη καταπόνηση μπορεί να την υποβαθμίσει και να μειώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής τους.

Η Vincotech έχει αναπτύξει μια καινοτόμο λύση που αυξάνει δραματικά την ικανότητα επαναλαμβανόμενων κύκλων ισχύος των συσκευών SiC, όπως αυτές που κατασκευάζει η ίδια η Vincotech. Χάρη στην προσθήκη μιας ειδικής συγκόλλησης μεταξύ τσιπ και υποστρώματος, οι μονάδες μπορούν πλέον να υποβάλλονται σε δοκιμές σε υψηλότερες θερμοκρασίες και με πιο απαιτητικά προφίλ λειτουργίας, χωρίς να επηρεάζεται η απόδοση ή η αξιοπιστία τους.

Η πλατφόρμα μονάδων ισχύος SiC της εταιρείας αποτελείται από μονάδες 3300 V που διαθέτουν MOSFET SiC μισής γέφυρας με ενσωματωμένους οδηγούς πύλης και κυκλώματα μέτρησης, ελαφριές βάσεις AlSiC για μηχανική σταθερότητα, δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας σε θερμοκρασία σύνδεσης 175 °C και υπόστρωμα νιτριδίου του πυριτίου υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, ώστε να παρέχουν ανώτερη ηλεκτρική απόδοση σε δυσμενείς συνθήκες.

Αυτά τα νέα δομοστοιχεία διατίθενται σε μια ελκυστική συσκευασία διαστάσεων 10 mm x 5 mm, η οποία τα καθιστά κατάλληλα για εφαρμογές με περιορισμένο χώρο, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία και η αεροδιαστημική, ενώ, χάρη στην τεχνολογία αντιστοίχισης και συσκευασίας που χρησιμοποιούν, μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα.

Η Imperialx χρησιμοποιεί επί του παρόντος αυτά τα νέα υποσυστήματα σε διάφορα πρωτότυπα μετατροπείς ισχύος, προκειμένου να αποδείξει την ικανότητά τους να προσφέρουν ταχύτερη εναλλαγή, υψηλότερη απόδοση και μειωμένο συνολικό κόστος συστήματος σε εφαρμογές μετατροπής ισχύος. Διαθέτουν ρυθμιζόμενους μηχανισμούς προστασίας για την αποφυγή επικίνδυνων καταστάσεων – γεγονός που τα καθιστά μια εξαιρετική λύση για τεχνικές εφαρμογές που απαιτούν γρήγορη υλοποίηση μετατροπέων μικρής κλίμακας, όπως η διδασκαλία ή η έρευνα.

Υψηλή Τάση

Το πυρίτιο αποτελεί το βασικό υλικό για τους ημιαγωγούς ισχύος, αλλά άλλα υλικά με ανώτερες ιδιότητες, όπως το νιτρίδιο του γαλλίου και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), προσφέρουν καλύτερη απόδοση σε υψηλότερες θερμοκρασίες και τάσεις, επιτρέποντας μεγαλύτερη ικανότητα διαχείρισης ισχύος σε μικρότερους χώρους με μειωμένες απαιτήσεις ψύξης για ενεργειακά αποδοτικά ολοκληρωμένα συστήματα ισχύος. Επιπλέον, κατά τη μετατροπή χάνεται λιγότερη θερμότητα, μειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις ψύξης και καθιστώντας ταυτόχρονα το σύνολο του συστήματος πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικό.

Το SiC προσφέρει 10 φορές μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή σε σχέση με το πυρίτιο, επιτρέποντας στις συσκευές να λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις χωρίς να υφίστανται ζημιά ή να παράγουν υπερβολική θερμότητα – κάτι που το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές σε υποδομές φόρτισης και έξυπνα δίκτυα που απαιτούν υψηλά επίπεδα τάσης.

Οι μονάδες ισχύος SiC 10 kV της Imperialx διαθέτουν χαμηλότερη επαγωγή βρόχου μεταγωγής σε σύγκριση με τα παραδοσιακά MOSFET πυριτίου (Si) και χαρακτηρίζονται από χαμηλούς λόγους χωρητικότητας Miller, προσφέροντας μεγαλύτερες ταχύτητες μεταγωγής και αυξημένη απόδοση στις κατασκευές. Επιπλέον, οι μονάδες αυτές έχουν σχεδιαστεί ειδικά για εύκολη σύνδεση σε παράλληλο, καθώς και για συμβατότητα με τυπικές κατασκευές οδήγησης πύλης.

Τα PowerModules SiC 10 kV της Imperialx προσφέρουν μια ελκυστική διεπαφή μεταξύ μονάδας ισχύος και συστήματος, η οποία μπορεί να μειώσει το συνολικό κόστος του συστήματος. Επιπλέον, το περίβλημά τους αυξάνει την αξιοπιστία και μειώνει τις απώλειες ισχύος σε υψηλές θερμοκρασίες, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση του συνολικού κόστους του συστήματος.

Χάρη στη συνδυασμένη χρήση περιβλημάτων που ανταποκρίνονται στα βιομηχανικά πρότυπα, εξελιγμένων τεχνολογιών συσκευασίας και των πιο πρόσφατων τσιπ SiC, με σκοπό την παραγωγή μονάδων ισχύος SiC που έχουν βελτιστοποιηθεί πλήρως ώστε να αξιοποιούν όλα τα πλεονεκτήματά τους, οι μονάδες SiC μπορούν να αξιοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, ενσωματωμένοι φορτιστές, μετατροπείς DC/DC, ηλεκτρονικοί συμπιεστές, κυψέλες καυσίμου, ιατρικά τροφοδοτικά και φωτοβολταϊκοί μετατροπείς.

Οι μονάδες ισχύος ACEPACK DRIVE της Imperialx έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να ανταποκρίνονται στις απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας που σχετίζονται με τη φόρτιση και τον κινητήριο έλεγχο των ηλεκτρικών οχημάτων (EV). Η στιβαρή και αξιόπιστη κατασκευή τους είναι κατάλληλη για τις δονήσεις κατά τη μεταφορά, καθώς και για ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας περιβάλλοντος, ενώ διαθέτουν εσωτερικές πλάκες διαβάθμισης πεδίου και αντιστάσεις PDIV υψηλής θερμοκρασίας που εξασφαλίζουν την ασφαλή λειτουργία τόσο με συντομες όσο και με μακρές συνδέσεις μπάρας τροφοδοσίας – ιδανικά χαρακτηριστικά για την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων μετατροπέων ισχύος υψηλής απόδοσης, καθώς και για άλλες απαιτητικές ερευνητικές εφαρμογές.

Χαμηλό βάρος

Οι μονάδες ισχύος SiC είναι πολύ μικρότερες, ελαφρύτερες και πιο συμπαγείς από τις αντίστοιχες μονάδες πυριτίου (Si), επιτρέποντας στους σχεδιαστές να δημιουργούν συστήματα με χαμηλότερο συνολικό κόστος υλικών (BOM) και συναρμολόγησης.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να προσφέρει το μέγιστο όφελος όταν ενσωματώνεται σε ένα μονάδα ισχύος που έχει σχεδιαστεί με προσοχή. Για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση τέτοιων μονάδων, τα εξαρτήματά τους πρέπει να σχεδιάζονται έτσι ώστε να έχουν ελάχιστη θερμική αντίσταση – αυτό επιτρέπει στη μονάδα ισχύος να αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητές της, αποφεύγοντας παράλληλα την πρόωρη βλάβη λόγω ηλεκτροθερμικής γήρανσης.

Οι μονάδες ισχύος αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των συστημάτων μετατροπής ηλεκτρικής ισχύος. Χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών – από τους μετατροπείς και τους σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, μέχρι τα βιομηχανικά και αεροναυτικά συστήματα ισχύος, αλλά και σε στρατιωτικές εφαρμογές. Οι ημιαγωγικές συσκευές ισχύος SiC αποτελούν εξαιρετική επιλογή, καθώς προσφέρουν ανώτερη απόδοση, ενώ παράλληλα είναι οικονομικά προσιτές, ελαφριές και απαιτούν ελάχιστη συντήρηση.

Οι συσκευές από καρβίδιο του πυριτίου όχι μόνο προσφέρουν βελτιωμένη απόδοση και χαμηλότερο κόστος υλικών (BOM), αλλά μπορούν επίσης να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής σε σύγκριση με τις αντίστοιχες συσκευές από πυρίτιο – παρέχοντας έτσι στους μηχανικούς μεγαλύτερο περιθώριο για τον σχεδιασμό λύσεων με υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, χαμηλότερες απώλειες αγωγιμότητας, ταχύτερη απόκριση σε μεταβατικές καταστάσεις και μεγαλύτερη ανθεκτικότητα.

Οι μονάδες ισχύος ACEPACK DRIVE διαθέτουν σύστημα άμεσης υγρής ψύξης με MOSFET υψηλής απόδοσης από καρβίδιο του πυριτίου και οδηγούς πύλης σε συσκευασία IGBT μισού μεγέθους, για ευκολότερη διάταξη, συναρμολόγηση και υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας. Οι μηχανικοί μπορούν να αξιοποιήσουν αυτό το χαρακτηριστικό για να επιτύχουν μεγαλύτερη ισχύ σε λιγότερο χώρο με μεγαλύτερη ευκολία, απλοποιώντας παράλληλα τις διαδικασίες διάταξης και συναρμολόγησης για αυξημένη απόδοση.

Η μονάδα ισχύος ACEPACK DRIVE διαθέτει εξαιρετική θερμική απόδοση χάρη στη θερμική στοίβα της, η οποία συμβάλλει στη μείωση του ρεύματος λειτουργίας και του ρεύματος διαρροής της πύλης κατά 20% ή και περισσότερο, προσφέροντας υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, χαμηλότερη απαγωγή θερμότητας και βελτιωμένη αξιοπιστία, ενώ παράλληλα πληροί τις απαιτητικές προδιαγραφές διάρκειας ζωής.

Η πλατφόρμα MOSFET ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου SEMITOP E1/E2 περιλαμβάνει πολλαπλές γενιές τσιπ σε διάφορες τοπολογίες, όπως sixpack, ημιγέφυρα και γέφυρα H· αυτό καθιστά τη σειρά SEMITOP μία από τις πιο προηγμένες λύσεις μονάδων ισχύος SiC στην αγορά. Επιπλέον, ένας από τους συντελεστές θερμοκρασίας RDS(on) της σειράς αυτής συγκαταλέγεται μεταξύ των χαμηλότερων που διατίθενται στην αγορά, καθιστώντας τη σειρά αυτή μία από τις πιο προηγμένες μονάδες ισχύος που προσφέρονται.