گزارش تحقیقات بازار Yole Development نشان می‌دهد که از زمان تولد دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت سیلیکونی، تقاضا برای کاربردها باعث افزایش دمای اتصال شده است که اکنون به ۱۵۰ درجه سانتیگراد رسیده است.

با ظهور نسل سوم قطعات نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع (مانند SiC) و بلوغ روزافزون و تجاری‌سازی کامل آنها، مقاومت دمایی منحصر به فرد آنها، دمای اتصال را از 150 درجه سانتیگراد فعلی به 175 درجه سانتیگراد افزایش می‌دهد و در آینده به 200 درجه سانتیگراد خواهد رسید.

با ویژگی‌های منحصر به فرد دمای بالا و مزایای تلفات سوئیچینگ پایین SiC، این روند افزایش دمای اتصال، الگوی طراحی سیستم‌های قدرت را تا حد زیادی تغییر خواهد داد. این کاربردهای معمول و آینده‌نگر با دمای بالا و چگالی توان بالا شامل پیشرانه‌های خودروهای الکتریکی کاملاً یکپارچه، هواپیماهای چند الکتریکی و تمام الکتریکی و حتی هواپیماهای الکتریکی، ایستگاه‌های شارژ ذخیره‌سازی انرژی سیار و پاوربانک‌ها و کاربردهای مختلف برق که در آن‌ها خنک‌سازی مایع به شدت محدود است، می‌شود.

سیستم انتقال قدرت خودروهای الکتریکی (موتور، کنترل الکترونیکی و گیربکس) به سمت سه در یک حرکت کرده است، اما در حال حاضر فقط از نظر ساختاری به هم متصل هستند و به طور ضعیفی یکپارچه شده‌اند. از نظر ساختاری، در آینده، ادغام عمیق سیستم انتقال قدرت یک مسیر اجتناب‌ناپذیر است، زیرا این امر ممکن است حجم را حدود یک سوم، وزن را حدود یک سوم و مصرف داخلی را حدود یک سوم کاهش دهد و ممکن است هزینه کل را 2 تا 4 برابر کاهش دهد.

با این حال، بخش کنترل الکترونیکی به طور نزدیکی با موتور یکپارچه خواهد شد و این یکپارچه‌سازی عمیق، چگالی توان را تا حد زیادی افزایش خواهد داد. دمای بالا بزرگترین چالشی است که نمی‌توان از آن اجتناب کرد.

کاربردهای معمول در دمای بالا

در هواپیماهای سنتی، حرکات مکانیکی مانند سکان دم، بال‌ها و ارابه فرود توسط سیستم انتقال قدرت هیدرولیکی کلاسیک کنترل می‌شوند. روغن هیدرولیک به عنوان یک مایع، به شدت تحت تأثیر محیط قرار می‌گیرد و هزینه‌های نگهداری بالایی دارد. در حال حاضر، روندی به سمت الکتریکی‌سازی جزئی یا کامل وجود دارد که مفهوم هواپیماهای چند الکتریکی و تمام الکتریکی است.

استفاده از موتورهای الکتریکی به جای مدارهای روغن هیدرولیک در هواپیما برای دستیابی به عملکرد مکانیکی، قابلیت اطمینان بالا، قابلیت نگهداری قوی و تسهیل طراحی پشتیبان اضافی را دارد. با این حال، بزرگترین معضل این است که موتورها و کنترل‌های الکترونیکی در هواپیما مجاز به مجهز شدن به خنک‌کننده آبی نیستند و فقط می‌توانند به خنک‌کننده هوای اجباری و خنک‌کننده طبیعی متکی باشند. بنابراین، برای تحقق طراحی کنترل الکترونیکی هواپیماهای چند الکتریکی یا تمام الکتریکی یا حتی هواپیماهای الکتریکی، مشکل فنی اصلی که ابتدا باید حل شود، دمای بالا است.

علاوه بر این، در بسیاری از سناریوهای کاربردی، ایستگاه‌های شارژ ذخیره‌سازی انرژی نیمه‌متحرک و پاوربانک‌های کاملاً سیار، به طور مؤثر شکاف شارژ ثابت را پر می‌کنند، به خصوص با محبوبیت گسترده خودروهای برقی، این امر آشکارتر خواهد شد.

با این حال، برای این نوع کاربرد شارژ موبایل، مکانیزم خنک‌کننده آبی نه تنها وزن و حجم اضافی را به همراه خواهد داشت، بلکه مهم‌تر از آن، انرژی الکتریکی ذخیره‌شده‌ای را که حمل می‌کند، مصرف خواهد کرد. بنابراین، خنک‌سازی طبیعی بهترین راه برای کنترل الکترونیکی خواهد بود، اما مسئله مدیریت حرارتی سیستم کنترل الکترونیکی باید به درستی مدیریت شود.

علاوه بر سه کاربرد معمول دما بالای فوق، در بسیاری از کاربردهای صنعتی خاص که خنک‌سازی با مایع به شدت محدود است، سیستم‌های کنترل الکترونیکی با همان چالش‌های دما بالا روبرو خواهند شد. فناوری کنترل الکتریکی دما بالا کلید تحقق کاربردهای دما بالای فوق است. فناوری اصلی پیاده‌سازی آن، فناوری بسته‌بندی دما بالای دستگاه‌های قدرت SiC و فناوری مدار درایو دما بالای منطبق با آن است.

سی‌آی‌سی «نابغه»

مواد SiC و ساختارهای دستگاهی آنها ذاتاً مقاومت دمایی بالایی دارند و حتی می‌توانند در شرایط خلاء، دماهای ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند. در کاربردهای عملی، برای جلوگیری از اکسیداسیون ناشی از تماس با هوا، دستگاه‌های SiC باید بسته‌بندی شوند و اگر قرار است در برابر دماهای بالا مقاومت کنند، باید در بسته‌های مقاوم در برابر دمای بالا بسته‌بندی شوند.

دمای اتصال ۱۵۰ درجه سانتیگراد در حال حاضر بالاترین استاندارد در صنعت است. سطح دمای اتصال ۱۷۵ درجه سانتیگراد به تازگی آشکار شده است. بسته‌های شبه استانداردی وجود دارند که می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. بسته‌هایی با دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد یا بالاتر، الزامات بسیار سختگیرانه‌ای در مورد مواد و فرآیندهای بسته‌بندی دارند و باید مطابق با ویژگی‌های تراشه بدون روکش سفارشی‌سازی شوند تا از رسانایی حرارتی و الزامات عملکرد اتلاف گرما اطمینان حاصل شود.

کاربرد قطعات و ماژول‌های قدرت SiC از مدارهای درایور و تراشه‌های مربوطه آنها جدایی‌ناپذیر است. با این حال، اکثر تراشه‌های مدار درایور، قطعات سیلیکونی معمولی هستند و نمی‌توانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند. اگر آنها بتوانند در دماهای بالا مانند ۱۷۵ درجه سانتیگراد به مدت ۱۰۰۰ ساعت کار کنند، در حال حاضر نادر است.

علاوه بر این، مقاومت در برابر دمای بالا تنها یکی از جنبه‌های مشکل است. آنچه جدی‌تر است، ثبات عملکرد دستگاه در دماهای بالا است. عملکرد دستگاه‌های سیلیکونی معمولی خیلی سریع در دمای بالای ۷۰ درجه سانتیگراد ضعیف می‌شود، بنابراین نمی‌توان از آنها در دماهای بالا استفاده کرد.

پس از بیش از 20 سال تحقیق و توسعه نوآورانه و آزمایش کاربرد، قطعات سیلیکونی ویژه SOI شرکت Cissoid به مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر دمای بالا دست یافته‌اند. آن‌ها می‌توانند به مدت 15 سال به طور مداوم در دمای 175 درجه سانتیگراد کار کنند و در کل محدوده دمایی، عملکرد بسیار خوبی دارند. آن‌ها ستون‌هایی هستند که از کاربردهای SiC در دمای بالا پشتیبانی می‌کنند.

عبور از معضل «دما»

فناوری نیمه‌هادی سیلیکونی ویژه مبتنی بر SOI شرکت Cissoid به طور جامع از معضل دمایی دستگاه‌های نیمه‌هادی سیلیکونی عبور می‌کند و به وضوح از تأثیر اثر حامل دما (غلظت حامل ذاتی با افزایش دما افزایش می‌یابد) و اثر دمای اتصال (سد مؤثر اتصال با افزایش دما کاهش می‌یابد) دستگاه‌های سیلیکونی جلوگیری می‌کند. این فناوری نه تنها می‌تواند در برابر دماهای بالا مقاومت کند و برای مدت طولانی کار کند، بلکه می‌تواند ثبات عملکرد خوبی را در کل محدوده دما حفظ کند.

در نتیجه، دستگاه‌های نیمه‌هادی دمای بالای Cissoid مدت‌هاست که مورد توجه حوزه‌های هوافضا و اکتشاف نفت قرار گرفته‌اند و نزدیک به 20 سال سابقه و تجربه در کاربرد دمای بالا دارند.

در سال‌های اخیر، با محبوبیت دستگاه‌های قدرت SiC نیمه‌هادی نسل سوم، Cissoid تراشه‌ها و راه‌حل‌های درایور مقاوم در برابر دمای بالا را برای MOSFETهای SiC توسعه داده است. این مقاومت منحصر به فرد در دمای بالا، امکان قرار دادن آن را تا حد امکان نزدیک به ماژول قدرت SiC فراهم می‌کند تا اندوکتانس انگلی مدار درایو به حداقل برسد و در نتیجه، زنگ زدن را به طور مؤثرتری سرکوب کرده و به راندمان بهینه دست یابد.

اخیراً، برای کاربردهای درایو الکتریکی قدرت در وسایل نقلیه الکتریکی و هواپیماهای تمام الکتریکی/چند الکتریکی، Cissoid همچنین یک سیستم ماژول قدرت هوشمند (IPM) سه فاز تمام پل 1200 ولت SiC MOSFET را راه اندازی کرده است که یک سری پلتفرم مقیاس پذیر است. این سیستم از فناوری تلفات سوئیچینگ کم برای ارائه یک راه حل یکپارچه، یعنی IPM، استفاده می کند.

IPM از یک مدار راه‌انداز گیت و یک ماژول قدرت سه فاز کاربید سیلیکون تشکیل شده است. همکاری بین این دو بهینه و هماهنگ شده است تا از مزایای دستگاه‌های SiC به طور کامل استفاده شود.

ماژول CXT-PLA3SA12450AA که در حال حاضر تولید می‌شود، دارای دمای اتصال نامی تا ۱۷۵ درجه سانتیگراد است و مدار راه‌انداز گیت می‌تواند در محیطی تا ۱۲۵ درجه سانتیگراد کار کند. علاوه بر این، بسته به شرایط و سناریوهای کاربرد، می‌توان با جایگزینی اجزای غیرفعال سطح بالاتر و بسته‌بندی تراشه‌ها و ماژول‌های اصلی، سطح دمای عملیاتی را بیشتر بهبود بخشید.

از زمان تولد قطعات نیمه‌هادی سیلیکونی، کاربردهای دما بالا کلید اصلی کاربردهای آنها بوده است.

فناوری نوآورانه تراشه سیلیکونی SOI ویژه Cissoid، در دستیابی به پیشرفت‌های بزرگ در دستگاه‌های گسسته نیمه‌هادی با دمای بالا و مدارهای مجتمع در مقیاس کوچک، پیشرو بوده است.

با بالغ و محبوب شدن روزافزون نیمه‌رساناهای نسل سوم مانند قطعات نیمه‌رسانای قدرت SiC، مقاومت ذاتی آنها در دمای بالا و قطعات نیمه‌رسانای دما بالای Cissoid تطابق بسیار خوبی را تشکیل می‌دهند که الگوی طراحی سیستم قدرت را تا حد زیادی تغییر داده و فضای جدیدی را برای توسعه در اختیار مهندسان طراح قرار می‌دهد.

توجه: این مقاله از اینترنت کپی شده و از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند. لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن