Powermoduler av kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är ett innovativt nytt material för kraftapplikationer som lovar att öka systemeffektiviteten samtidigt som systemets storlek, vikt och formfaktor minskar. Det är tre gånger mer värmeledande än kisel och har lägre switchförluster, vilket möjliggör högre driftstemperaturer och högre spänningar.

SiC-moduler finns i 2-i-1-utförande som gör det enkelt att konfigurera halvbryggkretsar, vilket gör dem perfekta för HEV/EV-växelriktare eller andra uppdrag med långa perioder av maximalt strömbehov.

Hög effektivitet

Effektkretsar av kiselkarbid (SiC) är ett av de bästa sätten att minimera systemförlusterna i högeffektsapplikationer. Deras breda bandgap möjliggör högre switchfrekvenser och spänningar för ökad effektivitet samtidigt som storleken på passiva komponenter minskar. SiC ger också en mer robust drift i krävande miljöer eftersom det är tre gånger mer värmeledande än kisel.

Diskreta SiC-strömförsörjningsenheter kan användas i många olika industriella applikationer, men ibland krävs högre strömstyrkor i kritiska system som avbrottsfri strömförsörjning och batteriladdare. Mitsubishi Electric har introducerat 1200 V 2nd Generation kraftmoduler som ger fördelarna med full SiC-teknik till applikationer med större strömkrav än vad diskreta enheter kan ge i ett lättanvänt paket.

Modulerna använder SiC MOSFETs med halvbryggstruktur och är lämpliga för olika omvandlartopologier som DC/DC, dubbelriktade och AC/AC-omvandlare. Jämfört med konventionella kiselenheter kan dessa moduler minska switchförlusterna med upp till 70% och därmed spara energi.

Dessa moduler är konstruerade med hög tillförlitlighet för att uppfylla kvalitetsstandarder för fordonsindustrin och industrin, inklusive inbränningstestning av grindar på wafernivå och HTRB-dränspänning för att minska antalet yttre fel; kortslutningsvärden gör dem lämpliga för säkerhetskritiska applikationer; deras robusta design möjliggör drift upp till 230 grader C med höga genomslagsspänningar och snabba återhämtningstider som hjälper till att minska risker som laviner eller genomskjutningar.

SiC är ett idealiskt material för motorstyrningar, eftersom det klarar högre temperaturer än traditionella kiselkretsar samtidigt som det ökar effekttätheten och förbättrar prestandan över tid. SiC:s motståndskraft mot nedbrytning på grund av värme innebär dessutom ökad effektivitet under långa perioder.

Mitsubishi Electrics 6,5kV full-SiC krafthalvledarmodul har uppnått världsledande nivåer av effekttäthet. Detta kan möjliggöra mindre och mer energieffektiv kraftutrustning för traktionssystem för järnvägsvagnar eller överförings- och distributionsnät för el; dessutom har den decentraliserad styrning som gör att flera moduler kan kombineras till en större kraftmodul för enklare systemdesign.

Låg läckström

Krafthalvledare av kiselkarbid (SiC) har blivit alltmer populära på grund av sina energibesparande egenskaper i kraftelektronikprodukter. SiC-enheter är mycket mer energieffektiva än sina motsvarigheter i kisel tack vare ett bredare bandgap som kräver mindre energi för att elektronerna ska förflytta sig från valensbandet till ledningsbandet och de fungerar vid högre temperaturer och spänningar med minskade kopplingsförluster.

SiC-baserade kraftmoduler har många fördelar som gör dem till den perfekta lösningen för applikationer som kräver ökad effektivitet, snabbare växlingshastigheter och förbättrad tillförlitlighet, t.ex. växelriktare, laddare för elbilar, solcellsväxelriktare och motorstyrningar. Tyvärr kan den höga temperaturen leda till ökad stress i lödfogen mellan chip och substrat, och med tiden kan denna repetitiva stress försämra chipet och förkorta dess livslängd avsevärt.

Vincotech har tagit fram en innovativ lösning som dramatiskt ökar förmågan till strömcykling hos SiC-enheter, t.ex. de som Vincotech själv tillverkar. Genom att lägga till en speciell lödfog mellan chip och substrat kan moduler nu testas vid högre temperaturer och med mer krävande uppdragsprofiler utan att kompromissa med prestanda eller tillförlitlighet.

Företagets SiC Power Module Platform består av 3300 V-moduler med halvbryggs SiC MOSFETs med integrerade grinddrivdon och mätkretsar, lättviktiga AlSiC-baser för mekanisk stabilitet, 175 degC kontinuerlig driftstemperatur och kiselnitridsubstrat med hög värmeledningsförmåga för att ge överlägsen elektrisk prestanda i tuffa miljöer.

De nya modulerna är förpackade i ett attraktivt 10 mm x 5 mm-format som gör dem lämpliga för utrymmesbegränsade applikationer som fordons- och flygindustrin, samtidigt som de med hjälp av sin matchnings- och förpackningsteknik enkelt kan bli en del av ett integrerat system.

Imperialx använder för närvarande dessa nya moduler i olika prototyper av kraftomvandlare för att demonstrera deras förmåga att ge snabbare växling, högre effektivitet och minskad total systemkostnad i kraftomvandlingsapplikationer. De har justerbara skyddsmekanismer för att skydda mot farliga förhållanden - vilket gör dem till en utmärkt lösning för ingenjörstillämpningar som kräver snabb implementering av nedskalade omvandlare, t.ex. inom undervisning eller forskning.

Högspänning

Kisel är det vanligaste materialet för krafthalvledare, men andra material med överlägsna egenskaper, t.ex. galliumnitrid och kiselkarbid (SiC), ger bättre effektivitet vid högre temperaturer och spänningar, vilket gör det möjligt att hantera mer effekt i mindre utrymmen med minskade kylbehov för energieffektiva kraftintegrerade system. Dessutom förloras mindre värme under omvandlingen, vilket minskar kylbehovet samtidigt som allt blir mycket mer energieffektivt totalt sett.

SiC har 10 gånger högre dielektrisk styrka än kisel, vilket gör att enheterna kan arbeta med högre spänningar utan att skadas eller skapa överdriven värme - perfekt för applikationer i laddningsinfrastruktur och smarta elnät som kräver höga spänningsnivåer.

Imperialx 10 kV SiC kraftmoduler har lägre kommuteringsloopinduktans än traditionella Si kisel MOSFETs och har låga Miller-kapacitansförhållanden för högre växlingshastigheter och ökad effektivitet i konstruktioner. Modulerna är dessutom speciellt konstruerade för att enkelt kunna parallellkopplas och är kompatibla med standardiserade gate drive-konstruktioner.

Imperialx 10-kV SiC PowerModules erbjuder ett attraktivt gränssnitt mellan kraftmodul och system som kan minska den totala systemkostnaden. Dessutom ökar deras kapsling tillförlitligheten och minskar effektförlusterna vid förhöjda temperaturer, vilket bidrar till att sänka de totala systemkostnaderna.

Med industristandardiserade höljen, sofistikerad förpackningsteknik och de senaste SiC-chipen som kombineras för att producera SiC-kraftmoduler som är helt optimerade för att dra nytta av alla deras fördelar, kan SiC-moduler utnyttjas i ett brett spektrum av applikationer som laddningsstationer för elfordon, ombordladdare, DC/DC-omvandlare, e-kompressorer bränsleceller medicinsk strömförsörjning solcellsomvandlare.

Imperialx ACEPACK DRIVE kraftmoduler är speciellt utformade för att uppfylla de krävande uppdragsprofiler som är förknippade med laddning och aktivering av elfordon (EV). Deras robusta men tillförlitliga konstruktion är lämplig för transportvibrationer såväl som extrema omgivande temperaturförhållanden, med interna fältgraderingsplattor och PDIV-motstånd för hög temperatur för att säkerställa säker drift med både korta och långa busbaranslutningar - idealiska funktioner för snabb prototypning av högpresterande kraftomvandlare såväl som andra krävande forskningsapplikationer.

Låg vikt

SiC-kraftmoduler är mycket mindre, lättare och mer kompakta än sina motsvarigheter i kisel (Si), vilket gör det möjligt för konstruktörer att skapa system med lägre total materialförteckning (BOM) och monteringskostnader.

Kiselkarbid kan ge maximal nytta när den integreras i en kraftmodul som har utformats med omsorg. För att maximera prestandan hos sådana moduler måste dess komponenter utformas så att de har minimalt termiskt motstånd - detta gör att kraftmodulen kan uppnå sin fulla potential samtidigt som man undviker tidiga fel på grund av elektrotermiskt åldrande.

Kraftmoduler utgör ryggraden i system för omvandling av elkraft. De används i en rad olika applikationer - från växelriktare och laddningsstationer för elfordon, via kraftsystem för industri och flyg, till militära användningsområden. SiC-krafthalvledarkomponenter är bra val eftersom de erbjuder överlägsen effektivitet samtidigt som de är prisvärda, lätta och har låga underhållskrav.

Kiselkarbidkomponenter erbjuder inte bara förbättrad effektivitet och lägre BOM-kostnader, utan de kan också arbeta vid högre switchfrekvenser än sina motsvarigheter i kisel - vilket ger ingenjörerna större möjligheter att utforma lösningar med högre effekttäthet, lägre ledningsförluster, snabbare transientrespons och robusthet.

ACEPACK DRIVE kraftmoduler har en lösning för direkt vätskekylning med högpresterande MOSFET:er av kiselkarbid och gate drivers i ett halvstort IGBT-paket för enklare layout, montering och hög tillförlitlighet. Ingenjörer kan dra nytta av detta för att enkelt få mer effekt på mindre utrymme samtidigt som layout och montering förenklas för ökad produktion.

ACEPACK DRIVE kraftmodul har utmärkta temperaturprestanda med sin termiska stack som hjälper till att sänka on-state- och gate-läckströmmen med 20% eller mer, för högre effekttäthet, lägre värmeavledning och förbättrad tillförlitlighet samtidigt som den uppfyller krävande livstidskrav.

Effekt-MOSFET-plattformen SEMITOP E1/E2 i kiselkarbid omfattar flera chipgenerationer i olika topologier, t.ex. sixpack, halvbrygga och H-brygga; detta gör SEMITOP-serien till en av de mest avancerade SiC-kraftmodulerna på marknaden. Dessutom är en av RDS(on)-temperaturkoefficienterna bland de lägsta på marknaden, vilket gör denna serie till en av de mest avancerade kraftmodulerna som erbjuds.