Güç elektroniği alanında yeni ürün ve teknolojilerin geliştirilmesi için itici güç, pazarın' daha yüksek güç yoğunluğu, daha fazla sistem entegrasyonu, sağlamlık ve daha yüksek güvenilirlik için artan talebidir. Aynı zamanda pazar, düşük maliyetli ürünler, standartlaştırılmış arayüzler, esnek ölçeklenebilirlik ve modülerlik talep ediyor. Son birkaç yılda, güç elektroniği alanının odak noktası çoğunlukla belirli hedef pazarlarda konumlandırılmış yeni yüksek güçlü entegre devrelerin araştırılması, geliştirilmesi ve yükseltilmesine odaklandı. Bu, yalnızca standart IGBT modüllerinin üretilmesine değil, aynı zamanda belirli müşteri ihtiyaçlarını karşılamak için optimize edilmiş bazı özel modül tiplerinin üretilmesine de yol açtı. Düşük kayıplı seri modüller, durum üzerindeki voltaj düşüşünü azaltmak için optimize edilmiştir. Ancak, çok yüksek anahtarlama kaybı nedeniyle, bu tip modülün sadece daha düşük anahtarlama frekansına sahip uygulamalarda kullanılması anlamlıdır. Buna karşılık endüstri de yüksek anahtarlama frekansları alanında kullanılan ultra hızlı modüller geliştirmiştir. Küçük kuyruk akımı nedeniyle bu IGBT modülleri, rezonans anahtarlamalı dönüştürücüler için idealdir. Ayrıca, yeni nesil güç entegreli modüller, modül hacmini değiştirmeden daha yüksek güç yoğunluğuna ve verimliliğe sahiptir. Yeni hendek IGBT'leri ve yumuşak delikli IGBT'ler, bu yönde gelecekteki araştırma ve geliştirmelerin odak noktasıdır ve böylece mevcut modül seçenekleri yelpazesini daha da artırır. En son nesil hendek IGBT'ler ve eksenel taşıyıcı ömür kontrollü serbest dönen diyotlardan oluşan modülün akım yoğunluğu 200A/cm2'ye ulaşıyor (Şekil 1). Böyle yüksek bir akım yoğunluğu, mevcut paket boyutunu daha verimli hale getirir, yani mevcut akım seviyesinin gerektirdiği çip alanı giderek azalacaktır. Örneğin 1999 yılında SEMIKRON'un en büyük 1200V yarım köprü modülü anma akımı 400A iken bugün aynı paket 600A akım sağlayabilmektedir. Güç yoğunluğunun sürekli iyileştirilmesi nedeniyle, üreticiler ve güç modülü kullanıcıları genellikle yeni zorluklarla karşı karşıyadır.
Şekil 1 Akım yoğunluğunun gelişimi
Bir süre için, güç dönüştürücülerinin hacmi artık güç yarı iletken modüllerinin boyutuna değil, kapasitörler, indüktörler ve filtreler gibi pasif bileşenlere bağlıdır. Bu fenomen, (1) ECPE'nin (Avrupa Güç Elektroniği Merkezi) bir araştırma raporundan görülebileceği gibi, özellikle düşük güçlü sürücüler için geçerlidir. 2,2kW'ın altındaki modern sürücüler için, güç yarı iletken modül paketi tüm cihaz hacminin yalnızca %6'sını oluşturur ve bu kabaca kablo terminalinin kapladığı hacme eşittir. DC bağlantı kapasitör bankası, güç cihazlarından ikisi olan hacmin yaklaşık %12'sini oluşturur. En büyük alanı kaplayan bileşen kontrol devre kartıdır (hacmin yaklaşık %23'ü), çünkü sadece sürücü ve kontrol devrelerini değil, aynı zamanda güç kaynağı ünitesini ve EMI filtrelerini de içerir (Şekil 2). Böyle bir eğilim aynı zamanda yüksek güçlü dönüştürme sistemlerine de uzanıyor. Güç elektroniği cihazları giderek küçülüyor, ancak pasif bileşenlerin, kabloların ve ana devre terminallerinin hacmi temelde değişmedi.
Şekil 2 Modern bir 2.2kW sürücüdeki çeşitli bileşenlerin/hacimlerin karşılaştırması
Günümüzde, güç cihazlarının boyutu artık yarı iletken yongaların kapladığı alana değil, ana devre terminallerine bağlıdır. Bu nedenle, insanların maliyetleri düşürmek ve çip boyutu küçültme ile aynı dereceye ulaşmak için güç elektroniği modüllerinin hacmini azaltmayı beklemeleri gerçekçi değildir. Ayrıca, titreşim varlığında, büyük kablo kesitleri ve DC baraları modülde nispeten büyük strese neden olur ve bu faktörlerin bağlantı bileşenlerinin güvenilirliği üzerinde olumsuz bir etkisi bile olabilir. Bu nedenle, DC devre bağlantıları için stres giderici bileşenler ve ek mekanik takviye bileşenleri de güç dönüştürücülerinin tasarımında önemli bir rol oynar. Yarı iletken modüllerde sürekli artan güç yoğunluğu, kullanıcılar için giderek daha fazla ısı dağıtma sorununa neden oluyor. Güç aynı kaldığında, modül hacmi küçülür ve küçülür ve birim hacimli güç modülünün güç kaybı değeri giderek artar, bu da radyatörde daha yüksek gereksinimleri ortaya çıkarır. Bir cebri hava soğutma sisteminde, güvenilirlik nedeniyle, genellikle modülün maksimum gücünü kullanmak olası değildir, çünkü kullanıcılara radyatörün sıcaklığını artırmalarını önermeyiz. Bu nedenle radyatörden en iyi şekilde yararlanmak için sıcak noktaları önlemek için ısı kaynağını dağıtmak gerekir. SEMiX® modülünü piyasaya sürerek SEMIKRON, güç bileşenlerinde entegre altı tüplü paket modül yerine tek bir yarım köprü modülü kullanan yeni bir kıyaslama önerdi. Cebri hava soğutma kullanıldığında, modüller aralıklarla takılabilir. Karşılık gelen termal iletim etkisi nedeniyle, modül alt tabakasının sıcaklığı çok daha düşüktür ve bu da çıkış gücünü artırabilir. Şekil 3, ısı iletiminin olumlu etkisini göstermektedir. Bu örnekte, modüller ısı emiciye aralıklarla takılırsa, ısı alıcının maksimum sıcaklığı 96°C'den 91°C'ye düşürülür. Elbette yarım köprü modülü, entegre altı tüplü paket modül ile de değiştirilebilir. Bu durumda su soğutma kullanılırsa daha yüksek güç yoğunluğuna sahip kompakt bir çözüm elde edilebilir.
Bir süredir, bazı insanlar araştırmalarını artan akım yoğunluğuna sahip yeni çiplerin kullanımına uyum sağlamak için yeni montaj ve bağlantı teknolojileri geliştirmeye odakladılar. Şimdiye kadar, güvenilirlik ve esneklik sınırlamaları nedeniyle tek bir teknoloji tamamen başarılı olmamıştır. Ek olarak, yeni bağlantı teknolojilerinin geliştirilmesi, daha fazla entegrasyon (sürücü devreleri ve pasif bileşenler) ve modül yongaları için çift taraflı ısı dağıtma teknolojisi ile de desteklenmektedir. Çok katmanlı devre kartlarının, metalize cihazların, lehimleme paketlerinin ve hatta kavisli devre kartlarının (2) kullanılması nedeniyle bağlantı teknolojisinde büyük ilerleme kaydedilmiştir. Bu yüksek düzeyde entegre teknolojilerin ticari güç elektroniği modüllerinde kullanımı sadece bir zaman meselesidir. Ürün platformu geliştirme Yukarıda belirtilen teknik zorluklara ek olarak, güç elektroniği alanındaki ürün platformları da giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. Burada sözde ürün platformu geliştirme, farklı ürün serileri geliştirmek veya tasarlamak için platformlar olan temel modüllerin geliştirilmesini ifade eder. Örneğin aynı üreticinin farklı otomobil modellerinde aynı otomobil motor ve şasi bileşenlerini gördüğümüzde otomotiv endüstrisinin bu"ürün platformu" kavram. Müşterilerimiz de dönüştürücülerin geliştirilmesi ve üretimi sırasında aynı stratejiyi uyguluyorlar, ancak sorun şu ki geliştirme faaliyetleri yarı iletken üreticilerinden yeterli desteği alamamış. Halihazırda piyasada satılan yarı iletken modüllerde, farklı modellerde ve bağlantı teknolojilerinde çok fazla tutarsızlık var. Sonuç olarak, müşterilerin standart bileşenlere ve modüllere dayalı tutarlı performansa sahip çeşitli dönüştürücü serileri üretmesi zordur. SEMiX® ürün platformunun piyasaya sürülmesi nedeniyle SEMIKRON, 15-150kW aralığındaki modüller için bir çözüm sağlamayı taahhüt eder. Şekil 4, SEMiX® ürün platformunun konseptini göstermektedir. Temel modül bazında, belirli kullanıcıların ihtiyaçlarını zamanında karşılamak için farklı güç aralıkları, topolojiler, entegrasyon seviyeleri ve farklı paketleme biçimleri için farklı modül versiyonları üretilebilir.
Farklı akım seviyeleri ve topolojik yapılar için, temel modülün kendisi dört farklı modül paketleme tipine sahiptir. Bununla birlikte, bu dört paket aynı dahili bileşen platformuna dayanmaktadır; bu, DC bağlantısı ile sürücü devresi arasındaki arabirimin tüm güç aralığında tutarlı olduğu anlamına gelir. SEMiX'in piyasaya sürülmesi, özelleştirilmiş ürünlerin hızlı bir şekilde üretilip teslim edilebilmesi için bu üretim öncesi standart ürün modülünü stoklamamızı sağlıyor. Dönüştürücü tasarımcıları için bu, modül bileşenlerinin güç ve işlevlerinin ölçülmesinin daha basit olduğu ve ayrıca geliştirme sürecinin karmaşıklığını ve gereken süreyi azaltabileceği anlamına gelir. Bu temelde, müşterinin'un özelleştirilmiş topolojisini karşılamak ve müşterinin's ürün serisinin sürekli genişlemesini gerçekleştirmek. Diğer pazar talebi, güç modülü çevre birimlerinin optimize edilmiş bağlantısıdır. Kısa ve uyarlanabilir ana devre terminallerini ve sürücü entegre devresinin bağlantısını içerir. SEMiX platformu ilk kez sürücü devresini doğrudan güç modülüne kurdu ve bu da bağlantı yolunu çok kısa hale getirdi. Sonuç Mükemmel çip teknolojisi sayesinde, modern güç yarı iletkenlerinin akım yoğunluğu, son birkaç yılın güç yarı iletkenlerine kıyasla yaklaşık %50 artmıştır. Bu gelişme, güç yarı iletken modüllerinde bileşen entegrasyonu ve bağlantı teknolojisi gereksinimlerinin yanı sıra cihazın ısı dağılımı için gereksinimleri doğrudan yükseltir. Cebri hava soğutma sistemleri için, maliyet düşürmeye elverişli olmayan çeşitli sınırlayıcı faktörlerin üstesinden gelinmiştir. Optimum ileri iletim kaybı ve yüksek anahtarlama frekansı gibi teknik göstergeler dikkate alındığında, mevcut birçok çip teknolojisi, belirli uygulamalara karşılık gelen avantajlara sahiptir. SEMIX'un yeni modül serisinin lansmanı ile SEMIKRON, müşteriye özel çözümleri gerçekleştirebilen geniş bir modüler ürün yelpazesi sunabilmektedir. SEMIX ürün serisi, önümüzdeki birkaç yıl içinde sürekli olarak eklenecek ve genişletilecektir.