Kraftmoduler av silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) er et innovativt nytt materiale for kraftapplikasjoner som lover å øke systemeffektiviteten samtidig som det reduserer systemets størrelse, vekt og formfaktor. Med tre ganger bedre varmeledningsevne enn silisium og lavere koblingstap muliggjør det høyere driftstemperaturer og høyere spenninger.

SiC-moduler finnes i 2-i-1-utførelser som gjør det enkelt å konfigurere halvbrokretser, noe som gjør dem ideelle for trekkomformere i hybrid- og elbiler (HEV/EV) eller andre anvendelser med lange perioder med maksimalt strømbehov.

Høy effektivitet

Kraftkomponenter av silisiumkarbid (SiC) er en av de beste måtene å minimere systemtap i applikasjoner med høy effekt. Deres brede båndgap muliggjør høyere koblingsfrekvenser og spenninger, noe som gir økt virkningsgrad samtidig som størrelsen på passive komponenter reduseres. SiC gir også mer robust drift i krevende miljøer, da det har tre ganger så høy varmeledningsevne som silisium.

Diskrete SiC-effektkomponenter kan brukes i et bredt spekter av industrielle anvendelser, men noen ganger krever kritiske systemer som avbruddsfrie strømforsyninger og batteriladere høyere strømstyrker. Mitsubishi Electric har lansert 1200 V 2. generasjons effektmoduler som gir fordelene ved full SiC-teknologi til applikasjoner med større strømbehov enn det diskrete komponenter kan tilby, i en brukervennlig pakke.

Disse modulene bruker SiC-MOSFET-er med halvbrokonstruksjoner og egner seg for ulike omformertopologier, som DC/DC-, toveis- og AC/AC-omformere. Sammenlignet med konvensjonelle silisiumkomponenter kan disse modulene redusere koblingstapene med opptil 70 % og dermed spare energi.

Disse modulene er konstruert med funksjoner som sikrer høy pålitelighet for å oppfylle kvalitetsstandarder innen bilindustrien og industrien, herunder innbrenningstesting av gate på wafer-nivå og HTRB-drain-stress for å redusere forekomsten av ytre feil; kortslutningskapasiteten gjør dem egnet for sikkerhetskritiske anvendelser; deres robuste design muliggjør drift opp til 230 °C med høye gjennomslagsspenninger og raske gjenopprettingstider, noe som bidrar til å redusere risikoer som lavineeffekter eller gjennomslåing.

SiC er et ideelt materiale for motordrev, da det tåler høyere temperaturer enn tradisjonelle silisiumkomponenter, samtidig som det øker effekttettheten og forbedrer ytelsen over tid. Videre innebærer SiCs motstandsdyktighet mot nedbrytning på grunn av varme økt effektivitet over lange perioder.

Mitsubishi Electrics 6,5 kV full-SiC-effekthalvledermodul har oppnådd verdensledende nivåer av effekttetthet. Dette kan muliggjøre mindre og mer energieffektivt kraftutstyr for fremdriftssystemer i jernbanevogner eller for kraftoverførings- og distribusjonsnettverk. I tillegg har den desentralisert styring som gjør det mulig å kombinere flere moduler til én større effektmodul, noe som forenkler systemutformingen.

Lav lekkasjestrøm

Kraft-halvledere av silisiumkarbid (SiC) har blitt stadig mer populære på grunn av deres energibesparende egenskaper i kraftelektronikkprodukter. SiC-komponenter er mye mer energieffektive enn tilsvarende silisiumkomponenter på grunn av et bredere båndgap, som gjør at elektronene trenger mindre energi for å bevege seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, og de fungerer ved høyere temperaturer og spenninger med reduserte koblingstap.

SiC-baserte effektmoduler har mange fordeler som gjør dem til den ideelle løsningen for bruksområder som krever høyere virkningsgrad, raskere koblingshastigheter og økt pålitelighet, for eksempel omformere, ladere for elbiler, solcelleomformere og motordrev. Dessverre kan den høye temperaturen føre til økt belastning på loddeforbindelsen mellom brikken og substratet; over tid kan denne gjentatte belastningen forringe den og forkorte levetiden betydelig.

Vincotech har utviklet en innovativ løsning som øker strømavbruddsmotstanden til SiC-komponenter – for eksempel de som Vincotech selv produserer – betydelig. Ved å innføre en spesiell loddeforbindelse mellom brikken og substratet kan modulene nå testes ved høyere temperaturer og under mer krevende driftsforhold uten at det går ut over ytelsen eller påliteligheten.

Selskapets SiC-effektmodulplattform består av 3300 V-moduler med halvbro-SiC-MOSFET-er med integrerte gate-drivere og målekretser, lette AlSiC-baser som sikrer mekanisk stabilitet, evne til kontinuerlig drift ved en krysspunkttemperatur på 175 °C og et silisiumnitrid-substrat med høy varmeledningsevne for å levere overlegen elektrisk ytelse under tøffe driftsforhold.

Disse nye modulene leveres i en attraktiv innkapsling på 10 mm × 5 mm, noe som gjør dem egnet for bruksområder med begrenset plass, som bil- og luftfartsindustrien, og takket være deres tilpasnings- og innkapslingsteknologi kan de enkelt integreres i et samlet system.

Imperialx bruker for tiden disse nye modulene i ulike prototyper av strømomformere for å demonstrere deres evne til å gi raskere kobling, høyere virkningsgrad og reduserte totale systemkostnader i strømomformingsapplikasjoner. De har justerbare beskyttelsesmekanismer for å sikre mot farlige forhold – noe som gjør dem til en utmerket løsning for tekniske anvendelser som krever rask implementering av nedskalerte omformere, for eksempel i undervisning eller forskning.

Høyspenning

Silisium er det mest brukte materialet for krafthalvledere, men andre materialer med overlegne egenskaper, som galliumnitrid og silisiumkarbid (SiC), gir bedre virkningsgrad ved høyere temperaturer og spenninger. Dette muliggjør større effektkapasitet på mindre plass, med reduserte kjølebehov for energieffektive systemer med integrert strømforsyning. Videre går det tapt mindre varme under omformingen, noe som reduserer kjølebehovet og samtidig gjør hele systemet mye mer energieffektivt.

SiC har en dielektrisk styrke som er 10 ganger høyere enn silisium, noe som gjør at enheter kan brukes ved høyere spenninger uten å bli skadet eller avgi for mye varme – ideelt for anvendelser innen ladeinfrastruktur og smarte strømnett som krever høye spenningsnivåer.

Imperialx’ 10-kV SiC-effektmoduler har lavere induktans i kommutasjonssløyfen enn tradisjonelle Si-MOSFET-er og utmerker seg med lave Miller-kapasitansforhold, noe som gir høyere koblingshastigheter og økt virkningsgrad i kretsløpene. Videre er disse modulene spesielt utviklet for enkel parallellkobling samt kompatibilitet med standard gate-driver-løsninger.

Imperialx 10-kV SiC PowerModules tilbyr et attraktivt grensesnitt mellom kraftmoduler og systemet som kan redusere de samlede systemkostnadene. Videre øker innkapslingen påliteligheten og reduserer effekttap ved høye temperaturer, noe som dermed bidrar til å senke de samlede systemkostnadene.

Ved å kombinere industristandard-hus, avansert innkapslingsteknologi og de nyeste SiC-brikkene for å produsere SiC-effektmoduler som er fullt optimalisert for å utnytte alle fordelene, kan SiC-modulene benyttes i et bredt spekter av bruksområder, som for eksempel ladestasjoner for elektriske kjøretøy, innebygde ladere, DC/DC-omformere, e-kompressorer, brenselceller, medisinske strømforsyninger og solcelleomformere.

Imperialx’ ACEPACK DRIVE-strømmoduler er spesielt utviklet for å oppfylle de krevende driftsprofilene knyttet til lading og aktivering av elektriske kjøretøy (EV). Deres robuste og pålitelige konstruksjon tåler både vibrasjoner under transport og ekstreme omgivelsestemperaturer, med interne feltgraderingsplater og PDIV-motstander for høye temperaturer som sikrer sikker drift med både korte og lange samleskinneforbindelser – ideelle egenskaper for rask prototyping av høytytende strømomformere samt andre krevende forskningsapplikasjoner.

Lav vekt

SiC-effektmoduler er mye mindre, lettere og mer kompakte enn tilsvarende silisiummoduler (Si), noe som gjør det mulig for utviklere å lage systemer med lavere totale materialkostnader (BOM) og monteringskostnader.

Silisiumkarbid gir størst mulig nytte når det integreres i en kraftmodul som er nøye utformet. For å maksimere ytelsen til slike moduler må komponentene utformes slik at de har minimal termisk motstand – dette gjør at kraftmodulen kan utnytte sitt fulle potensial, samtidig som man unngår tidlig svikt på grunn av elektrotermisk aldring.

Kraftmoduler utgjør ryggraden i systemer for elektrisk strømkonvertering. De brukes i en rekke anvendelser – fra omformere og ladestasjoner for elektriske kjøretøy, via industrielle og luftfartsrelaterte kraftsystemer, helt til militære bruksområder. SiC-krafthalvledere er et utmerket valg, da de tilbyr overlegen virkningsgrad samtidig som de er rimelige, lette og krever lite vedlikehold.

Komponenter av silisiumkarbid gir ikke bare bedre virkningsgrad og lavere materialkostnader, men de kan også operere ved høyere svingfrekvenser enn tilsvarende komponenter av silisium – noe som gir ingeniører større handlingsrom til å utvikle løsninger med høyere effekttetthet, lavere ledningstap, raskere transientrespons og større robusthet.

ACEPACK DRIVE-effektmodulene har en løsning med direkte væskekjøling, med høytytende MOSFET-er av silisiumkarbid og gate-drivere i en IGBT-pakke i halv størrelse, noe som gir enklere utforming og montering samt høy pålitelighet. Ingeniører kan dra nytte av dette for å oppnå høyere effekt på mindre plass på en enklere måte, samtidig som de forenkler utformings- og monteringsprosedyrene for å oppnå økt utgangseffekt.

ACEPACK DRIVE-strømmodulen har utmerket temperaturytelse takket være sin termiske stabel, som bidrar til å redusere strømmen i på-tilstand og gate-lekkasjestrømmen med 20 % eller mer. Dette gir høyere effekttetthet, lavere varmeavledning og forbedret pålitelighet, samtidig som den oppfyller strenge krav til levetid.

SEMITOP E1/E2-plattformen for kraft-MOSFET-er i silisiumkarbid omfatter flere chipgenerasjoner i ulike topologier, som for eksempel «sixpack», halvbro og H-bro; dette gjør SEMITOP-serien til en av de mest avanserte SiC-kraftmodulløsningene på markedet. Videre er en av temperaturkoeffisientene for RDS(on) blant de laveste som finnes på markedet, noe som gjør denne serien til en av de mest avanserte kraftmodulene som tilbys.