Báo cáo nghiên cứu thị trường của Yole Development cho thấy rằng kể từ khi các thiết bị bán dẫn công suất silicon ra đời, nhu cầu ứng dụng đã thúc đẩy nhiệt độ mối nối tăng lên, hiện đã đạt đến 150°C.

Với sự xuất hiện của các thiết bị bán dẫn có dải năng lượng rộng thế hệ thứ ba (như SiC) và sự hoàn thiện cũng như thương mại hóa ngày càng tăng của chúng, khả năng chịu nhiệt độ cao độc đáo của chúng đang đẩy nhanh quá trình tăng nhiệt độ mối nối từ mức hiện tại 150°C lên 175°C, và sẽ đạt đến 200°C trong tương lai.

Với đặc tính chịu nhiệt cao độc đáo và ưu điểm tổn hao chuyển mạch thấp của SiC, xu hướng tăng nhiệt độ mối nối này sẽ làm thay đổi đáng kể mô hình thiết kế của các hệ thống điện. Những ứng dụng điển hình, hướng tới tương lai ở nhiệt độ cao và mật độ công suất cao này bao gồm hệ thống truyền động xe điện tích hợp sâu, máy bay đa động cơ điện và hoàn toàn chạy điện, thậm chí cả máy bay điện, trạm sạc lưu trữ năng lượng di động và pin dự phòng, và nhiều ứng dụng điện khác mà việc làm mát bằng chất lỏng bị hạn chế nghiêm trọng.

Hệ thống truyền động của xe điện (động cơ, điều khiển điện tử và hộp số) đang hướng tới mô hình ba trong một, nhưng hiện tại chúng chỉ được xếp chồng lên nhau về mặt cấu trúc và tích hợp yếu. Xét về cấu trúc, trong tương lai, việc tích hợp sâu hệ thống truyền động là con đường tất yếu, bởi vì điều này có thể giảm thể tích khoảng một phần ba, trọng lượng khoảng một phần ba và mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng một phần ba, đồng thời giảm tổng chi phí từ 2 đến 4 lần.

Tuy nhiên, phần điều khiển điện tử sẽ được tích hợp chặt chẽ với động cơ, và sự tích hợp sâu này sẽ làm tăng đáng kể mật độ công suất. Nhiệt độ cao là thách thức lớn nhất không thể tránh khỏi.

Các ứng dụng nhiệt độ cao điển hình

Trong máy bay truyền thống, các chuyển động cơ khí như bánh lái đuôi, cánh và càng hạ cánh được điều khiển bằng hệ thống truyền động thủy lực cổ điển. Là chất lỏng, dầu thủy lực rất dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường và có chi phí bảo trì cao. Hiện nay, xu hướng đang hướng tới điện khí hóa một phần hoặc toàn bộ, đó là khái niệm về máy bay đa điện và máy bay hoàn toàn bằng điện.

Việc sử dụng động cơ điện thay vì mạch dầu thủy lực trên máy bay để đạt được hoạt động cơ học có độ tin cậy cao, khả năng bảo trì tốt và tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế dự phòng. Tuy nhiên, vấn đề nan giải lớn nhất là động cơ và hệ thống điều khiển điện tử trên máy bay không được phép trang bị hệ thống làm mát bằng nước, mà chỉ có thể dựa vào làm mát bằng gió cưỡng bức và làm mát tự nhiên. Do đó, để hiện thực hóa thiết kế điều khiển điện tử cho máy bay đa động cơ điện, máy bay hoàn toàn bằng điện, hoặc thậm chí là máy bay điện, vấn đề kỹ thuật chính cần giải quyết trước tiên là nhiệt độ cao.

Ngoài ra, trong nhiều kịch bản ứng dụng, các trạm sạc lưu trữ năng lượng bán di động và pin dự phòng di động hoàn toàn sẽ lấp đầy hiệu quả khoảng trống của các trạm sạc cố định, đặc biệt là với sự phổ biến rộng rãi của xe điện, điều này sẽ trở nên rõ ràng hơn.

Tuy nhiên, đối với loại ứng dụng sạc di động này, cơ chế làm mát bằng nước không chỉ gây thêm gánh nặng về trọng lượng và kích thước, mà quan trọng hơn, nó sẽ tiêu thụ năng lượng điện tích trữ. Do đó, làm mát tự nhiên sẽ là phương pháp tốt nhất cho hệ thống điều khiển điện tử, nhưng vấn đề quản lý nhiệt của hệ thống điều khiển điện tử cần được xử lý đúng cách.

Ngoài ba ứng dụng nhiệt độ cao điển hình nêu trên, trong nhiều ứng dụng công nghiệp đặc biệt mà việc làm mát bằng chất lỏng bị hạn chế nghiêm trọng, hệ thống điều khiển điện tử cũng sẽ phải đối mặt với những thách thức tương tự về nhiệt độ cao. Công nghệ điều khiển điện nhiệt độ cao là chìa khóa để hiện thực hóa các ứng dụng nhiệt độ cao nêu trên. Công nghệ cốt lõi để thực hiện điều này là công nghệ đóng gói chịu nhiệt độ cao của các thiết bị điện SiC và công nghệ mạch điều khiển chịu nhiệt độ cao phù hợp.

“Thiên tài” SiC

Vật liệu SiC và cấu trúc thiết bị của chúng có khả năng chịu nhiệt cao, thậm chí có thể chịu được nhiệt độ từ 400 đến 600°C trong điều kiện chân không. Trong các ứng dụng thực tế, để ngăn ngừa quá trình oxy hóa do tiếp xúc với không khí, các thiết bị SiC phải được đóng gói, và nếu muốn chịu được nhiệt độ cao, chúng phải được đóng gói trong các vật liệu chịu nhiệt cao.

Nhiệt độ mối nối 150°C hiện là tiêu chuẩn cao nhất trong ngành. Mức nhiệt độ mối nối 175°C mới bắt đầu được khai thác. Có những loại bao bì gần như tiêu chuẩn hóa có thể sử dụng được. Các loại bao bì có nhiệt độ từ 200°C trở lên có yêu cầu rất khắt khe về vật liệu và quy trình đóng gói, và phải được tùy chỉnh theo đặc tính của chip trần để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về dẫn nhiệt và tản nhiệt.

Việc ứng dụng các thiết bị và mô-đun công suất SiC không thể tách rời khỏi các mạch điều khiển và các chip tương ứng của chúng. Tuy nhiên, hầu hết các chip mạch điều khiển đều là các thiết bị silicon thông thường và không chịu được nhiệt độ cao. Nếu chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao như 175°C trong 1,000 giờ thì đó đã là điều hiếm gặp.

Ngoài ra, khả năng chịu nhiệt độ cao chỉ là một khía cạnh của vấn đề. Điều nghiêm trọng hơn là tính ổn định hiệu năng của thiết bị ở nhiệt độ cao. Hiệu năng của các thiết bị silicon thông thường suy giảm rất nhanh ở nhiệt độ trên 70°C, do đó chúng không thể được sử dụng ở nhiệt độ cao.

Sau hơn 20 năm nghiên cứu và phát triển cùng thử nghiệm ứng dụng đầy sáng tạo, các thiết bị silicon đặc biệt SOI của Cissoid đã đạt được khả năng chịu nhiệt độ cao vượt trội. Chúng có thể hoạt động liên tục trong 15 năm ở nhiệt độ 175°C và duy trì hiệu suất ổn định tuyệt vời trên toàn bộ dải nhiệt độ. Chúng là trụ cột hỗ trợ các ứng dụng SiC chịu nhiệt độ cao.

Vượt qua nghịch lý “nhiệt độ”

Công nghệ bán dẫn silicon đặc biệt dựa trên SOI của Cissoid đã giải quyết triệt để vấn đề nhiệt độ khó khăn của các thiết bị bán dẫn silicon và tránh được ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt độ hạt tải (nồng độ hạt tải nội tại tăng khi nhiệt độ tăng) và hiệu ứng nhiệt độ mối nối (rào cản mối nối hiệu dụng giảm khi nhiệt độ tăng) của các thiết bị silicon. Không chỉ có khả năng chịu được nhiệt độ cao và hoạt động trong thời gian dài, công nghệ này còn duy trì được hiệu suất ổn định tốt trên toàn bộ dải nhiệt độ.

Do đó, các thiết bị bán dẫn chịu nhiệt độ cao của Cissoid từ lâu đã được các lĩnh vực hàng không vũ trụ và thăm dò dầu khí ưa chuộng, và có gần 20 năm kinh nghiệm và lịch sử ứng dụng ở nhiệt độ cao.

Trong những năm gần đây, với sự phổ biến của các thiết bị bán dẫn công suất SiC thế hệ thứ ba, Cissoid đã phát triển các chip điều khiển chịu nhiệt độ cao và các giải pháp cho MOSFET SiC. Khả năng chịu nhiệt độ cao độc đáo này cho phép đặt chip càng gần mô-đun công suất SiC càng tốt để giảm thiểu điện cảm ký sinh của mạch điều khiển, từ đó triệt tiêu hiện tượng dao động hiệu quả hơn và đạt được hiệu suất tối ưu.

Gần đây, để phục vụ các ứng dụng truyền động điện trong xe điện và máy bay hoàn toàn chạy điện/đa động cơ điện, Cissoid cũng đã cho ra mắt hệ thống mô-đun nguồn thông minh (IPM) MOSFET SiC ba pha cầu toàn phần 1200V, một dòng sản phẩm nền tảng có khả năng mở rộng. Hệ thống này sử dụng công nghệ tổn hao chuyển mạch thấp để cung cấp một giải pháp tích hợp, cụ thể là IPM.

IPM bao gồm một mạch điều khiển cổng và một mô-đun nguồn silicon carbide ba pha. Sự phối hợp giữa hai thành phần này đã được tối ưu hóa và điều chỉnh để tận dụng tối đa ưu điểm của các thiết bị SiC.

Mô-đun CXT-PLA3SA12450AA hiện đang được sản xuất có nhiệt độ mối nối định mức lên đến 175°C, và mạch điều khiển cổng có thể hoạt động trong môi trường lên đến 125°C. Ngoài ra, tùy thuộc vào điều kiện và kịch bản ứng dụng, mức nhiệt độ hoạt động có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách thay thế các linh kiện thụ động cấp cao hơn và cải tiến bao bì của các chip và mô-đun chính.

Kể từ khi các thiết bị bán dẫn silicon ra đời, ứng dụng ở nhiệt độ cao luôn là yếu tố then chốt cho sự phát triển của chúng.

Công nghệ chip silicon SOI đặc biệt tiên tiến của Cissoid đã dẫn đầu trong việc đạt được những đột phá lớn trong lĩnh vực linh kiện bán dẫn rời rạc chịu nhiệt độ cao và mạch tích hợp quy mô nhỏ.

Khi các chất bán dẫn thế hệ thứ ba như các thiết bị bán dẫn công suất SiC ngày càng hoàn thiện và phổ biến, khả năng chịu nhiệt độ cao vốn có của chúng và các thiết bị bán dẫn chịu nhiệt độ cao Cissoid tạo nên sự kết hợp rất tốt, điều này sẽ thay đổi đáng kể mô hình thiết kế hệ thống điện và cung cấp cho các kỹ sư thiết kế không gian mở rộng mới.

Lưu ý: Bài viết này được sao chép từ Internet và nhằm mục đích bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi đăng lại. Nếu phát hiện vi phạm bản quyền, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến