Тенденции в силовата електроника

Във времената на смартфони и iPad, Industry 4.0 и Internet of Things „тежката категория“ на полупроводниковите компоненти като че ли остана на заден план. Това впечатление обаче е погрешно! Стремежът захранванията да стават все по интелигентни, по-цифрови, по-независими от параметрите на мрежата, по-децентрализирани и по-ефективни, превръщат интегралните схеми за управление на мощни стъпала, импулсните регулатори и MOSFET приборите в основни компоненти на тези устройства. Нарастващите пазари и приложения, като например безжичното зареждане, енергозахранването от околната среда (Energy Harvesting) и цифровото управление на захранващите системи, стимулират развитието на новите технологии и процеси в силовата електроника.

 

В момента се води битка за всеки процент ефективност. Три движещи сили са в основата на голяма част от иновациите:

- Понижаването на статичните и динамичните загуби дава възможност за по-малки габарити при същата мощност, значително по-малко генериране на топлина в приложенията и не на последно място висока ефективност на цялата система, което според различни стандарти (напр. сертификат 80+) е все по-важно при разработката на продуктите.

- Оптимизирането на термичните характеристики спомага за удължаване на експлоатационния живот на компонентите и цялостната система.

- По-високата интеграция на компонентите гарантира, наред с другото, по-компактни конструкции, както и по-лесно производство и снабдяване с материали. 

 

IGBT

Биполярните импулсни прибори с характерни представители дискретните IGBT и IGBT модули в момента преживяват значителен ръст на областта си на приложение благодарение на висока интеграция на компонентите и по-високите честоти на комутация. Приложенията им се разпростират от класическото управление на двигатели през соларните инвертори чак до импулсните захранвания. Чрез модулни решения могат да се реализират надеждни, ефективни и компактни системни решения. В тази област Rutronik предлага, заедно с производителите Infineon, ST, Rohm, Vishay, BYD, Bosch и Vincotech, широко портфолио от съвременни продукти.

 

MOSFET

Съвременните еднополярни импулсни компоненти, и преди всичко полевите MOSFET транзистори, със своето понижено вътрешно съпротивление (Rdson) и понижените паразитни капацитети, изпълняват изискванията за миниатюризация и понижаване на загубите. При това, обаче, те поставят разработчиците пред нови предизвикателства, тъй като тези мерки не водят само до понижаване на загубите, но и до по-високи честоти на комутация. Също така и миниатюризацията на корпусите допринася за достигането на по-високи импулсни честоти чрез намалената площ на чиповете.

Управлението на тези бързи MOSFET и заедно с това, осигуряването на електромагнитна съвместимост (EMC) се превръща в основна задача при разработката на системите. Тя може да се реши преди всичко чрез правилното управление на MOSFET, както и чрез оптимално разполагане на компонентите и опроводяване на печатната платка. По-късите писти и интелигентно разположените компоненти на системата могат значително да понижат индуктивните загуби. Перфектното съгласуване, съответно адаптиране на MOSFET драйверите е един от критичните аспекти при проектирането на схемите.

При автомобилните приложения все повече се търсят компоненти, сертифицирани по AECQ-100 с разширен до 125 °C температурен диапазон. При екстремни условия на околната среда, като например в двигателния отсек, изискванията към температурната устойчивост достигат дори до 200 °C. Тук производителите са принудени да отговорят на изискванията на клиентите чрез прилагане на иновативни решения за бондиране в интегралните схеми. В тези случаи конвенционалните производствени технологии достигат границите си, поради което вече не могат да гарантират функционална безопасност и надеждност.

 

Компоненти с широка забранена зона (Wide Band Gap)

Компонентите с голяма широчина на забранената зона, най актуални сред които са J-FET приборите от силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN) имат отлични характеристики по отношение на разсейваната енергия, както и отлични термични свойства. Те осигуряват ниски загуби при високи импулсни честоти и високи блокиращи напрежения, което е от особено значение за енергийната ефективност на системи като UPS, фотоволтаични приложения и мобилни електронни устройства. За да се прецени дали по-високата цена на тази технология, съответно на тези компоненти е рентабилна, е важно да се вземат предвид обобщените системни разходи. Достатъчно е това, че например пасивните компоненти са със значително по-компактна конструкция, бобините и филтрите са по-малки. Също така охлаждащите елементи – радиатори и вентилатори - могат да бъдат опростени значително като конструкция и намалени като размери, а даже и напълно елиминирани.

 

Тези иновации ще допринесат за разработването на по-ефективни, по-удобни, по-мощни и по-компактни устройства. Така мрежовите захранващи адаптери ще могат да се вграждат директно в уредите (например преносимите компютри) или сензорите, микродвигателите и устройствата, включени в Internet of Things ще могат да имат независимо захранване. Може да се реализира и безжичен пренос на енергия при по-висока енергийна плътност. Технологии като SiC и GaN, които са едва в началото на своето перспективно развитие, допълнително подпомагат тези разработки. С напредъка на тяхното технологично развитие те ще завладеят допълнителни пазари и приложения. Въпреки това те няма да заменят напълно достигналите технологична зрялост, високонадеждни силициеви компоненти, които притежават значими предимства по отношение на хоризонталната интеграция, устойчивостта и цената.