Raport z badania rynku firmy Yole Development pokazuje, że od momentu pojawienia się układów półprzewodnikowych opartych na krzemie wymagania aplikacji powodowały wzrost temperatury złącza, która obecnie osiągnęła 150°C.

Wraz z pojawieniem się szerokopasmowych urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji (takich jak SiC) oraz ich rosnącą dojrzałością i pełną komercjalizacją, ich wyjątkowa odporność na wysokie temperatury przyspiesza temperaturę złącza z obecnych 150°C do 175°C, a w przyszłości osiągnie 200°C.

Dzięki unikalnym właściwościom SiC w zakresie wysokich temperatur i niskim stratom przełączania, ten trend wzrostu temperatury złączy znacząco zmieni sposób projektowania systemów energetycznych. Te typowe, przyszłościowe zastosowania wysokotemperaturowe i o wysokiej gęstości mocy obejmują głęboko zintegrowane układy napędowe pojazdów elektrycznych, samoloty wielo- i całkowicie elektryczne, a nawet samoloty elektryczne, mobilne stacje ładowania i banki energii, a także różnorodne zastosowania energetyczne, w których chłodzenie cieczą jest bardzo ograniczone.

Układ napędowy pojazdów elektrycznych (silnik, sterowanie elektroniczne i skrzynia biegów) ewoluował w kierunku koncepcji „trzy w jednym”, ale obecnie jest on jedynie strukturalnie połączony i słabo zintegrowany. Z punktu widzenia konstrukcji, w przyszłości głęboka integracja układu napędowego jest nieunikniona, ponieważ może zmniejszyć objętość o około jedną trzecią, masę o około jedną trzecią, zużycie paliwa o około jedną trzecią, a całkowity koszt może obniżyć się 2-4-krotnie.

Jednakże, elektroniczna część sterująca będzie ściśle zintegrowana z silnikiem, a głęboka integracja znacznie zwiększy gęstość mocy. Wysoka temperatura to największe wyzwanie, którego nie da się uniknąć.

Typowe zastosowania w wysokich temperaturach

W tradycyjnych samolotach ruchy mechaniczne, takie jak ster kierunku, skrzydła i podwozie, są sterowane za pomocą klasycznej przekładni hydraulicznej. Jako ciecz, olej hydrauliczny jest silnie zależny od środowiska i wiąże się z wysokimi kosztami utrzymania. Obecnie obserwuje się trend w kierunku częściowej lub całkowitej elektryfikacji, co jest koncepcją samolotów multielektrycznych i całkowicie elektrycznych.

Zastosowanie silników elektrycznych zamiast hydraulicznych obiegów oleju w samolocie w celu zapewnienia działania mechanicznego zapewnia wysoką niezawodność, łatwą konserwację i umożliwia redundantne projektowanie układów zapasowych. Największym problemem jest jednak to, że silniki i elektroniczne układy sterowania w samolocie nie mogą być wyposażone w chłodzenie wodne i mogą korzystać jedynie z wymuszonego chłodzenia powietrzem i chłodzenia naturalnego. Dlatego, aby zrealizować projekt elektronicznego sterowania samolotów wieloelektrycznych lub całkowicie elektrycznych, a nawet elektrycznych, głównym problemem technicznym, który należy najpierw rozwiązać, jest wysoka temperatura.

Ponadto w wielu scenariuszach zastosowań półmobilne stacje ładowania z magazynowaniem energii i w pełni mobilne banki energii skutecznie wypełnią lukę w zakresie ładowania stacjonarnego, zwłaszcza w miarę upowszechniania się pojazdów elektrycznych na szeroką skalę, co stanie się bardziej oczywiste.

Jednak w przypadku tego typu zastosowań ładowania mobilnego, mechanizm chłodzenia cieczą nie tylko zwiększy masę i objętość urządzenia, ale, co ważniejsze, będzie zużywał zgromadzoną energię elektryczną. Dlatego chłodzenie naturalne będzie najlepszym rozwiązaniem dla sterowania elektronicznego, ale kwestia zarządzania temperaturą elektronicznego układu sterowania musi zostać odpowiednio rozwiązana.

Oprócz trzech typowych zastosowań wysokotemperaturowych, w wielu specjalistycznych zastosowaniach przemysłowych, gdzie chłodzenie cieczą jest mocno ograniczone, elektroniczne systemy sterowania będą stawiać czoła tym samym wyzwaniom związanym z wysoką temperaturą. Technologia sterowania elektrycznego w wysokiej temperaturze jest kluczem do realizacji powyższych zastosowań wysokotemperaturowych. Jej podstawową technologią jest technologia wysokotemperaturowej obudowy układów mocy SiC oraz odpowiadająca jej technologia wysokotemperaturowych obwodów sterujących.

„Geniusz” SiC

Materiały SiC i ich struktury charakteryzują się wysoką odpornością na temperaturę i mogą wytrzymywać temperatury od 400 do 600°C w warunkach próżni. W zastosowaniach praktycznych, aby zapobiec utlenianiu spowodowanemu kontaktem z powietrzem, urządzenia SiC muszą być pakowane w obudowy odporne na wysokie temperatury.

Temperatura złącza 150°C jest obecnie najwyższym standardem w branży. Poziom temperatury złącza 175°C dopiero zaczyna być ujawniany. Istnieją quasi-standardowe obudowy, które można stosować. Obudowy o temperaturze 200°C lub wyższej mają bardzo surowe wymagania dotyczące materiałów i procesów pakowania i muszą być dostosowane do charakterystyki samego układu scalonego, aby zapewnić wymagania dotyczące przewodności cieplnej i odprowadzania ciepła.

Zastosowanie układów i modułów mocy SiC jest nierozerwalnie związane z układami sterującymi i odpowiadającymi im układami scalonymi. Jednak większość układów sterujących to zwykłe układy krzemowe, które nie są odporne na wysokie temperatury. Jeśli mogą pracować w wysokich temperaturach, takich jak 175°C przez 1,000 godzin, to już rzadkość.

Ponadto, odporność na wysokie temperatury to tylko jeden aspekt problemu. Poważniejszym problemem jest stabilność działania urządzenia w wysokich temperaturach. Wydajność zwykłych urządzeń krzemowych spada bardzo szybko powyżej 70°C, dlatego nie można ich używać w wysokich temperaturach.

Po ponad 20 latach innowacyjnych prac badawczo-rozwojowych i testów aplikacyjnych, specjalne układy krzemowe SOI firmy Cissoid osiągnęły wyjątkową odporność na wysokie temperatury. Mogą pracować nieprzerwanie przez 15 lat w temperaturze 175°C i charakteryzują się doskonałą spójnością działania w całym zakresie temperatur. Stanowią one filary wspierające wysokotemperaturowe zastosowania SiC.

Przełamanie dylematu „temperatury”

Specjalna technologia półprzewodników krzemowych firmy Cissoid, oparta na technologii SOI, kompleksowo rozwiązuje problem temperaturowy w krzemowych urządzeniach półprzewodnikowych i wyraźnie eliminuje wpływ efektu nośników temperatury (stężenie nośników wewnętrznych rośnie wraz ze wzrostem temperatury) oraz efektu temperatury złącza (efektywna bariera złącza maleje wraz ze wzrostem temperatury) w urządzeniach krzemowych. Technologia ta nie tylko wytrzymuje wysokie temperatury i działa przez długi czas, ale także zapewnia dobrą spójność działania w całym zakresie temperatur.

W rezultacie wysokotemperaturowe urządzenia półprzewodnikowe firmy Cissoid od dawna cieszą się uznaniem w branży lotniczej i kosmicznej oraz w sektorze poszukiwania i wydobycia ropy naftowej, a ich historia i doświadczenie w zastosowaniach wysokotemperaturowych sięgają niemal 20 lat.

W ostatnich latach, wraz z rosnącą popularnością półprzewodnikowych układów mocy SiC trzeciej generacji, firma Cissoid opracowała odporne na wysokie temperatury układy sterujące i rozwiązania dla tranzystorów MOSFET SiC. Ta wyjątkowa odporność na wysokie temperatury pozwala na umieszczenie ich jak najbliżej modułu mocy SiC, minimalizując w ten sposób pasożytniczą indukcyjność obwodu sterującego, a tym samym skuteczniej tłumiąc dzwonienie i osiągając optymalną sprawność.

Niedawno, do zastosowań w pojazdach elektrycznych i samolotach całkowicie elektrycznych/wieloelektrycznych, firma Cissoid wprowadziła również na rynek trójfazowy, pełnomostkowy, inteligentny moduł zasilania (IPM) z tranzystorami SiC MOSFET o napięciu 1200 V, będący skalowalną platformą. System ten wykorzystuje technologię niskich strat przełączania, zapewniając zintegrowane rozwiązanie IPM.

Układ IPM składa się z układu sterowania bramką i trójfazowego modułu mocy z węglika krzemu. Współpraca między nimi została zoptymalizowana i skoordynowana, aby w pełni wykorzystać zalety układów SiC.

Aktualnie produkowany moduł CXT-PLA3SA12450AA charakteryzuje się znamionową temperaturą złącza do 175°C, a układ sterowania bramką może pracować w temperaturze do 125°C. Ponadto, w zależności od warunków i scenariuszy zastosowania, możliwe jest dalsze obniżenie temperatury pracy poprzez wymianę pasywnych komponentów wyższego poziomu oraz obudowy głównych układów scalonych i modułów.

Od momentu pojawienia się układów półprzewodnikowych na bazie krzemu, kluczem do ich zastosowań stały się zastosowania wysokotemperaturowe.

Innowacyjna technologia specjalnych układów scalonych SOI firmy Cissoid odegrała wiodącą rolę w osiągnięciu przełomowych osiągnięć w dziedzinie dyskretnych układów półprzewodnikowych wysokotemperaturowych i układów scalonych małej skali.

W miarę jak półprzewodniki trzeciej generacji, takie jak półprzewodniki mocy SiC, stają się coraz bardziej dojrzałe i popularne, ich wrodzona odporność na wysokie temperatury oraz wysokotemperaturowe półprzewodniki Cissoid tworzą bardzo dobre połączenie, które w znacznym stopniu zmieni sposób projektowania systemów energetycznych i zapewni inżynierom nowe możliwości rozbudowy.

Uwaga: Niniejszy artykuł został przedrukowany z Internetu i służy ochronie praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen