Согласно отчету компании Yole Development об исследовании рынка, с момента появления кремниевых силовых полупроводниковых приборов требования к их применению приводят к повышению температуры перехода, которая в настоящее время достигла 150 °C.

С появлением полупроводниковых приборов третьего поколения с широкой запрещенной зоной (таких как SiC), их растущей зрелостью и полной коммерциализацией, их уникальное высокотемпературное сопротивление ускоряет повышение температуры перехода с нынешних 150 °C до 175 °C, а в будущем она достигнет 200 °C.

Благодаря уникальным высокотемпературным характеристикам и низким потерям при переключении, присущим карбидам кремния (SiC), тенденция к повышению температуры перехода значительно изменит принципы проектирования силовых систем. К типичным перспективным областям применения, требующим высоких температур и высокой удельной мощности, относятся глубоко интегрированные силовые установки электромобилей, многоцелевые и полностью электрические самолеты, а также электрические летательные аппараты, мобильные зарядные станции для хранения энергии и портативные источники питания, а также различные силовые установки, где возможности жидкостного охлаждения сильно ограничены.

Силовая установка электромобилей (двигатель, электронное управление и коробка передач) движется в направлении «три в одном», но в настоящее время она лишь структурно объединена и слабо интегрирована. С точки зрения конструкции, в будущем глубокая интеграция силовой установки станет неизбежным путем, поскольку это может уменьшить объем примерно на треть, вес примерно на треть и расход топлива примерно на треть, а также снизить общую стоимость в 2-4 раза.

Однако электронная часть управления будет тесно интегрирована с двигателем, а глубокая интеграция значительно повысит удельную мощность. Самой большой и неизбежной проблемой является высокая температура.

Типичные области применения при высоких температурах

В традиционных самолетах механические движения, такие как хвостовой руль направления, крылья и шасси, управляются классической гидравлической трансмиссией. Гидравлическое масло, будучи жидкостью, сильно подвержено воздействию окружающей среды и имеет высокие затраты на техническое обслуживание. В настоящее время наблюдается тенденция к частичной или полной электрификации, то есть к концепции многоэлектрических и полностью электрических самолетов.

Использование электродвигателей вместо гидравлических контуров в самолетах для обеспечения механического управления обеспечивает высокую надежность, удобство обслуживания и упрощает резервирование. Однако главная проблема заключается в том, что двигатели и электронные системы управления в самолетах не могут быть оснащены водяным охлаждением и могут полагаться только на принудительное воздушное и естественное охлаждение. Поэтому для реализации электронной системы управления многоэлектрических, полностью электрических или даже полностью электрических самолетов первоочередной технической проблемой является работа при высоких температурах.

Кроме того, во многих сценариях применения полумобильные зарядные станции для хранения энергии и полностью мобильные портативные зарядные устройства эффективно заполнят пробел в стационарных зарядных устройствах, что особенно очевидно с учетом широкого распространения электромобилей.

Однако для такого типа мобильных зарядных устройств механизм водяного охлаждения не только создаст дополнительную нагрузку в плане веса и объема, но, что более важно, будет потреблять накопленную электрическую энергию. Поэтому естественное охлаждение будет наилучшим способом для электронного управления, но вопрос теплового регулирования электронной системы управления должен быть должным образом решен.

В дополнение к трем вышеупомянутым типичным областям применения при высоких температурах, во многих специальных промышленных приложениях, где возможности жидкостного охлаждения сильно ограничены, электронные системы управления сталкиваются с теми же проблемами, связанными с высокими температурами. Технология высокотемпературного электрического управления является ключом к реализации вышеупомянутых применений при высоких температурах. Ее основная технология реализации — это технология высокотемпературной упаковки силовых устройств на основе SiC и соответствующая технология высокотемпературных схем управления.

«Гений» SiC

Материалы на основе карбида кремния (SiC) и структуры устройств, использующих их в качестве полупроводниковых компонентов, обладают высокой термостойкостью и могут выдерживать температуру от 400 до 600 °C в вакууме. В практических применениях, чтобы предотвратить окисление, вызванное контактом с воздухом, устройства на основе SiC должны быть упакованы, а если они должны выдерживать высокие температуры, то должны быть упакованы в термостойкие корпуса.

В настоящее время самым высоким стандартом в отрасли является температура перехода 150 °C. Уровень температуры перехода 175 °C только начинает устанавливаться. Существуют квазистандартизированные корпуса, которые можно использовать. Корпуса с температурой 200 °C и выше предъявляют очень строгие требования к упаковочным материалам и процессам и должны быть адаптированы к характеристикам самого чипа для обеспечения требуемой теплопроводности и теплоотвода.

Применение силовых устройств и модулей на основе SiC неразрывно связано с драйверными схемами и соответствующими им микросхемами. Однако большинство микросхем драйверных схем представляют собой обычные кремниевые устройства и не выдерживают высоких температур. Если они и могут работать при высоких температурах, например, 175°C в течение 1,000 часов, то это уже редкость.

Кроме того, термостойкость — это лишь один аспект проблемы. Гораздо серьезнее стабильность работы устройства при высоких температурах. Рабочие характеристики обычных кремниевых устройств очень быстро ухудшаются при температуре выше 70°C, поэтому их нельзя использовать при высоких температурах.

После более чем 20 лет инновационных исследований и разработок, а также испытаний в различных областях применения, специальные кремниевые устройства Cissoid на основе SOI достигли выдающейся термостойкости. Они могут непрерывно работать в течение 15 лет при температуре 175°C и демонстрируют превосходную стабильность характеристик во всем температурном диапазоне. Они являются основой для высокотемпературных применений SiC.

Преодоление «температурной» дилеммы

Технология Cissoid на основе SOI-структуры позволяет комплексно преодолеть температурную проблему кремниевых полупроводниковых устройств и избежать влияния температурного эффекта носителей заряда (собственная концентрация носителей увеличивается с повышением температуры) и температурного эффекта перехода (эффективный барьер перехода уменьшается с повышением температуры) на характеристики кремниевых устройств. Она не только выдерживает высокие температуры и работает длительное время, но и обеспечивает стабильную производительность во всем температурном диапазоне.

В результате высокотемпературные полупроводниковые приборы компании Cissoid уже давно пользуются популярностью в аэрокосмической отрасли и нефтеразведке, и имеют почти 20-летний опыт применения в условиях высоких температур.

В последние годы, с ростом популярности силовых полупроводниковых устройств на основе карбида кремния (SiC), компания Cissoid разработала высокотемпературные драйверные микросхемы и решения для SiC MOSFET-транзисторов. Эта уникальная высокая термостойкость позволяет размещать их как можно ближе к силовому модулю SiC, чтобы минимизировать паразитную индуктивность цепи управления, тем самым более эффективно подавляя колебания и достигая оптимальной эффективности.

Недавно компания Cissoid также выпустила трехфазную полномостовую систему интеллектуального силового модуля (IPM) на основе SiC MOSFET с напряжением 1200 В, предназначенную для применения в электроприводах электромобилей и полностью электрических/многоцелевых летательных аппаратов. Эта масштабируемая платформа использует технологию низких потерь при переключении, обеспечивая интегрированное решение, а именно IPM.

Модуль IPM состоит из схемы управления затвором и трехфазного силового модуля на основе карбида кремния. Взаимодействие между ними оптимизировано и скоординировано для полного использования преимуществ устройств на основе SiC.

В настоящее время выпускаемый модуль CXT-PLA3SA12450AA имеет номинальную температуру перехода до 175 °C, а схема управления затвором может работать в среде до 125 °C. Кроме того, в зависимости от условий и сценариев применения, уровень рабочей температуры может быть дополнительно улучшен за счет замены пассивных компонентов более высокого уровня и улучшения корпуса основных микросхем и модулей.

С момента появления кремниевых полупроводниковых приборов ключевыми направлениями их применения были высокотемпературные режимы работы.

Инновационная технология специальных кремниевых чипов SOI от компании Cissoid позволила добиться значительных прорывов в области высокотемпературных полупроводниковых дискретных устройств и малогабаритных интегральных схем.

По мере того, как полупроводники третьего поколения, такие как силовые полупроводниковые приборы на основе SiC, становятся все более зрелыми и популярными, их присущая им высокая термостойкость и высокотемпературные полупроводниковые приборы на основе цисоидных структур очень хорошо сочетаются, что значительно изменит подход к проектированию силовых систем и предоставит инженерам-разработчикам новые возможности для совершенствования.

Примечание: Данная статья воспроизведена из интернета и направлена ​​на защиту прав интеллектуальной собственности. При перепечатке, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.