全球速读:封装、集成和快速切换:已经取得了什么成就,下一步发展是什么?<i class="original_article_icon">原创</i>
今天,由于该领域众多公司的研究,功率器件已达到极高的效率水平。优异的成绩是由于不同电子和物理部门的协同作用,它们结合在一起,可以达到最高水平。让我们看看功率器件的封装和集成如何实现非常高的效率,尤其是在高开关速度下,从而积极利用所有可用功率。
封装与集成:两个成语
(相关资料图)
最近,在一个非常有趣的电源设备网络研讨会上,Eckart Hoene教授来自柏林的文章展示了功率器件效率的研究现状。他的主要研究涉及包装,特别关注工业应用。他说:“我们开始使用集成制造工艺,因为我们希望降低开关损耗,从而减少寄生干扰。这会通过减少开关损耗来加快开关速度”。未来几十年在这个领域将是非常重要和决定性的。随着可再生能源取代化石燃料,电力电子将变得更加重要,该行业的产量将增加十倍。Hoene 宣称:“我们确实需要考虑如何尽可能经济地生产。一种可能的解决方案是减小设备的尺寸。更小的尺寸意味着更少的材料,因此,降低成本。完全集成的驱动程序肯定会包含更少的组件”。他的研究活动涉及快速开关功率半导体及其应用的未来。
实现最大效率结果的策略
完全集成设备不是一项简单的操作,需要在开发和新技术方面付出一定的努力。通过集成,降低了开关损耗。集成的另一个优点是这大大减少了开发时间。事实上,使用现成的包,设计一个系统,并不需要对这件事有深入的了解。Eckart Hoene 教授进一步表示:“当我们想要创建一个系统时,如果我们使用现成的软件包,那么所有的设计时间都将被消除,并且不需要专家所拥有的知识”. 高度集成的驱动器包含更少的主动和被动组件。有很高的优势。这种技术可以降低开关损耗,增加脉冲频率,甚至减少无源元件的数量。总之,集成可以产生几个好处:
· 更少的开关损耗;
· 更少的寄生噪音;
· 更快的切换;
· 更快的发展:“打包”的知识减少了对有经验的人的需求;
· 通过大批量生产技术降低成本;
· 减小设备的尺寸;
· 有源和无源元件的数量较少。
此外,开关性能越来越好,如今已实现几乎完美的开关。新的半导体能够快速改变它们的逻辑状态,并且有可能克服以前从未达到的极限。这种集成还具有电感极低的巨大优势,甚至低于 2 nH。事实上,本地直流缓冲器的工作性能更好。清洁开关的秘诀是什么?电路的核心包含两个半导体和中间电路电容器,以及一个阻尼电阻。随着改进,一些模块还可以驱动 150 安培和 800 伏特的负载。
在开启过程中,电路中会短暂流过大电流(黑色图中为 150 A),然后减小。同时,中间电路的大电容保证了更长时间的稳定电流(绿图)。缓冲器在切换时提供电流,并且由于它被电阻器阻尼,因此获得了非常平滑和干净的切换,没有嗡嗡声并且过电压非常低。
低电感集成器件
在功率开关应用中,电感具有决定性意义,必须尽可能加以限制。低电感是如何实现的?实验原型由两层陶瓷基板组成。背部的特点是散热结构。请注意封装在 PCB 上的四个碳化硅半导体。因此,该器件对电镀处理的微通孔进行了激光钻孔。最后,用一个金属盖将其封闭,在该金属盖上可以使用电触点。该设备可以从后面安装。
仅直流链路中的低电感不足以实现开关目的,但栅极回路中的低电感也很重要。为此,将半导体集成到驱动器升压器中。最后,它们都形成了一个块。当然,进一步的集成极大地简化了设计,但只适用于较低的电压。该块填充有绝缘材料以增加设备的安全度,并且由于陶瓷板,绝缘电压约为2.5 kV,具有良好的导热性。但是,块中的孔允许您将组件拧到散热器上。
结论
今天的主要目标有两个:提高性能和降低成本。为此,有必要调整生产过程。自动化生产在这方面提供了许多可能性。因此,异构集成将成为高性能、无寄生开关器件的未来,适用于 SiC 和 GaN 器件,并且可供所有用户使用。
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