แรงผลักดันสำหรับการพัฒนาผลิตภัณฑ์และเทคโนโลยีใหม่ๆ ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังมาจากตลาด&ที่มีความต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น การผสานรวมระบบที่มากขึ้น ความทนทาน และความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น ในขณะเดียวกัน ตลาดต้องการผลิตภัณฑ์ต้นทุนต่ำ อินเทอร์เฟซที่ได้มาตรฐาน ความสามารถในการปรับขนาดที่ยืดหยุ่น และโมดูลาร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จุดเน้นของสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังมุ่งเน้นไปที่การวิจัย การพัฒนา และการอัพเกรดวงจรรวมกำลังแรงสูงใหม่ที่วางตำแหน่งในตลาดเป้าหมายเฉพาะ สิ่งนี้ไม่เพียงนำไปสู่การผลิตโมดูล IGBT มาตรฐานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโมดูลประเภทพิเศษบางประเภทที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้าเฉพาะ โมดูลซีรีส์การสูญเสียต่ำได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าตกในสถานะ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการสูญเสียสวิตชิ่งสูงมาก การใช้โมดูลประเภทนี้ในแอปพลิเคชันที่มีความถี่สวิตชิ่งต่ำจึงมีความหมายเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ อุตสาหกรรมจึงได้พัฒนาโมดูลที่รวดเร็วเป็นพิเศษซึ่งใช้ในด้านความถี่สวิตชิ่งสูง เนื่องจากกระแสไฟส่วนท้ายมีขนาดเล็ก โมดูล IGBT เหล่านี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับตัวแปลงสวิตช์เรโซแนนท์ นอกจากนี้ โมดูลรวมพลังงานรุ่นใหม่ยังมีความหนาแน่นและประสิทธิภาพพลังงานสูงขึ้นโดยไม่ต้องเปลี่ยนระดับเสียงของโมดูล IGBT ร่องลึกแบบใหม่และ IGBT แบบเจาะทะลุแบบนุ่มนวลเป็นจุดสนใจของการวิจัยและพัฒนาในอนาคตในทิศทางนี้ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มช่วงของตัวเลือกโมดูลที่มีให้มากขึ้น ความหนาแน่นกระแสของโมดูลที่ประกอบด้วย IGBT ของร่องลึกรุ่นล่าสุดและไดโอดอิสระควบคุมตลอดอายุการใช้งานของตัวพาตามแนวแกนถึง 200A/cm2 (รูปที่ 1) ความหนาแน่นกระแสที่สูงเช่นนี้ทำให้ขนาดบรรจุภัณฑ์ที่มีอยู่มีประสิทธิภาพมากขึ้น กล่าวคือ พื้นที่ชิปที่ระดับปัจจุบันต้องการจะค่อยๆ ลดลง ตัวอย่างเช่น ในปี 1999 โมดูลฮาล์ฟบริดจ์ 1200V ที่ใหญ่ที่สุดอันดับ #39 ของ SEMIKRON คือ 400A แต่วันนี้แพ็คเกจเดียวกันสามารถจ่ายกระแสไฟได้ 600A เนื่องจากการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานอย่างต่อเนื่อง ผู้ผลิตและผู้ใช้โมดูลพลังงานจึงมักเผชิญกับความท้าทายใหม่ๆ
รูปที่ 1 การพัฒนาความหนาแน่นกระแส
ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ปริมาตรของตัวแปลงกำลังไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดของโมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลังอีกต่อไป แต่ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ และตัวกรอง ปรากฏการณ์นี้เป็นจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับไดรฟ์ที่ใช้พลังงานต่ำ ซึ่งสามารถดูได้จากรายงานการวิจัยของ (1) ECPE (European Center for Power Electronics) สำหรับไดรฟ์รุ่นใหม่ที่ต่ำกว่า 2.2kW แพ็คเกจโมดูลพลังงานเซมิคอนดักเตอร์จะคิดเป็นเพียง 6% ของปริมาณอุปกรณ์ทั้งหมด ซึ่งเทียบเท่ากับปริมาณที่ใช้โดยขั้วต่อสายเคเบิลโดยประมาณ ธนาคารตัวเก็บประจุลิงก์ DC คิดเป็นประมาณ 12% ของปริมาตร ซึ่งเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าสองตัว ส่วนประกอบที่ใช้พื้นที่มากที่สุดคือแผงวงจรควบคุม (ประมาณ 23% ของปริมาตร) เนื่องจากไม่เพียงประกอบด้วยไดรฟ์และวงจรควบคุมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงชุดจ่ายไฟและตัวกรอง EMI ด้วย (รูปที่ 2) แนวโน้มดังกล่าวยังขยายไปสู่ระบบการแปลงกำลังสูงอีกด้วย อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ แต่ปริมาณของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ สายเคเบิล และขั้วต่อวงจรหลักนั้นโดยทั่วไปไม่เปลี่ยนแปลง
รูปที่ 2 การเปรียบเทียบส่วนประกอบ/โวลุ่มต่างๆ ในไดรฟ์ 2.2kW ที่ทันสมัย
ปัจจุบันขนาดของอุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ของชิปเซมิคอนดักเตอร์อีกต่อไป แต่ขึ้นอยู่กับขั้วของวงจรหลัก ดังนั้นจึงเป็นเรื่องไม่สมจริงที่ผู้คนคาดหวังว่าจะลดปริมาณโมดูลอิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อลดต้นทุนและบรรลุผลในระดับเดียวกับการลดขนาดชิป นอกจากนี้ เมื่อมีการสั่นสะเทือน หน้าตัดของสายเคเบิลขนาดใหญ่และบัสบาร์ DC จะทำให้เกิดความเครียดค่อนข้างมากกับโมดูล และปัจจัยเหล่านี้อาจส่งผลเสียต่อความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ ดังนั้นส่วนประกอบที่ช่วยคลายความเครียดและส่วนประกอบเสริมแรงเชิงกลเพิ่มเติมสำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสตรงยังมีบทบาทสำคัญในการออกแบบตัวแปลงกำลังไฟฟ้า ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในโมดูลเซมิคอนดักเตอร์ทำให้เกิดปัญหาการกระจายความร้อนสำหรับผู้ใช้มากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อพลังงานยังคงเท่าเดิม ปริมาตรของโมดูลจะเล็กลงเรื่อยๆ และค่าการสูญเสียพลังงานของโมดูลพลังงานปริมาณหน่วยจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ความต้องการหม้อน้ำสูงขึ้น ในระบบระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ เนื่องจากความน่าเชื่อถือ มักจะไม่น่าจะใช้พลังงานสูงสุดของโมดูล เนื่องจากเราไม่แนะนำให้ผู้ใช้เพิ่มอุณหภูมิของหม้อน้ำ ดังนั้น เพื่อการใช้งานหม้อน้ำให้เกิดประโยชน์สูงสุด จำเป็นต้องกระจายแหล่งความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อน ด้วยการเปิดตัวโมดูล SEMiX® SEMIKRON ได้เสนอเกณฑ์มาตรฐานใหม่ที่ใช้โมดูลฮาล์ฟบริดจ์เดี่ยวแทนโมดูลแพ็คเกจแบบหกท่อในส่วนประกอบพลังงาน เมื่อใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ สามารถติดตั้งโมดูลตามช่วงเวลาได้ เนื่องจากเอฟเฟกต์การนำความร้อนที่สอดคล้องกัน อุณหภูมิของพื้นผิวโมดูลจึงต่ำกว่ามาก ซึ่งสามารถเพิ่มกำลังขับได้ รูปที่ 3 แสดงผลในเชิงบวกของการถ่ายเทความร้อน ในตัวอย่างนี้ หากโมดูลได้รับการติดตั้งบนแผงระบายความร้อนเป็นระยะ อุณหภูมิสูงสุดของตัวระบายความร้อนจะลดลงจาก 96°C เป็น 91°C แน่นอน โมดูลฮาล์ฟบริดจ์ยังสามารถแทนที่ด้วยโมดูลแพ็คเกจหกท่อในตัวได้อีกด้วย ในกรณีนี้ หากใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำ จะสามารถใช้โซลูชันขนาดกะทัดรัดที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นได้
ในบางครั้ง ผู้คนบางส่วนได้มุ่งเน้นการวิจัยเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมต่อและการเชื่อมต่อแบบใหม่เพื่อปรับให้เข้ากับการใช้ชิปใหม่ที่มีความหนาแน่นกระแสไฟเพิ่มขึ้น จนถึงขณะนี้ยังไม่มีเทคโนโลยีใดที่ประสบความสำเร็จอย่างสมบูรณ์เนื่องจากข้อจำกัดด้านความน่าเชื่อถือและความยืดหยุ่น นอกจากนี้ การพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมต่อใหม่ยังได้รับแรงหนุนจากการบูรณาการที่มากขึ้น (วงจรไดรฟ์และส่วนประกอบแบบพาสซีฟ) และเทคโนโลยีการกระจายความร้อนแบบสองด้านสำหรับชิปโมดูล เนื่องจากการใช้แผงวงจรหลายชั้น อุปกรณ์ที่เป็นโลหะ แพ็คเกจบัดกรี และแม้แต่แผงวงจรโค้ง (2) เทคโนโลยีการเชื่อมต่อมีความก้าวหน้าอย่างมาก การใช้เทคโนโลยีแบบบูรณาการขั้นสูงเหล่านี้ในโมดูลอิเล็กทรอนิกส์กำลังเชิงพาณิชย์เป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้น การพัฒนาแพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์ นอกเหนือจากความท้าทายทางเทคนิคที่กล่าวข้างต้นแล้ว แพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเช่นกัน การพัฒนาแพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์ที่เรียกว่าที่นี่หมายถึงการพัฒนาโมดูลพื้นฐาน ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มสำหรับการพัฒนาหรือออกแบบชุดผลิตภัณฑ์ต่างๆ ตัวอย่างเช่น เมื่อเราเห็นเครื่องยนต์และส่วนประกอบแชสซีของรถยนต์เดียวกันในรถยนต์รุ่นต่างๆ จากผู้ผลิตรายเดียวกัน อาจกล่าวได้ว่าอุตสาหกรรมยานยนต์เป็นผู้บุกเบิกของ"แพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์" แนวคิด. ลูกค้าของเรายังใช้กลยุทธ์เดียวกันนี้ในระหว่างการพัฒนาและการผลิตคอนเวอร์เตอร์ แต่ปัญหาคือกิจกรรมการพัฒนาของพวกเขายังไม่ได้รับการสนับสนุนเพียงพอจากผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ในโมดูลเซมิคอนดักเตอร์ที่จำหน่ายในตลาดในปัจจุบัน มีความไม่สอดคล้องกันมากเกินไปในรุ่นและเทคโนโลยีการเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน ผลที่ได้คือลูกค้าจะผลิตชุดคอนเวอร์เตอร์ต่างๆ ที่มีประสิทธิภาพสม่ำเสมอตามส่วนประกอบและโมดูลมาตรฐานได้ยาก เนื่องจากการเปิดตัวแพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์ SEMiX® SEMIKRON มุ่งมั่นที่จะจัดหาโซลูชันสำหรับโมดูลในช่วง 15-150kW รูปที่ 4 แสดงแนวคิดของแพลตฟอร์มผลิตภัณฑ์ SEMiX® ตามโมดูลพื้นฐาน สามารถผลิตโมดูลรุ่นต่างๆ ได้สำหรับช่วงกำลังไฟฟ้า โทโพโลยี ระดับการรวม และรูปแบบบรรจุภัณฑ์ที่แตกต่างกัน เพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ใช้เฉพาะอย่างทันท่วงที
สำหรับระดับปัจจุบันและโครงสร้างทอพอโลยีที่แตกต่างกัน โมดูลพื้นฐานมีสี่ประเภทที่แตกต่างกันของบรรจุภัณฑ์โมดูล อย่างไรก็ตาม แพ็คเกจทั้งสี่นี้ใช้แพลตฟอร์มส่วนประกอบภายในเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าอินเทอร์เฟซระหว่างลิงก์ DC และวงจรไดรฟ์จะสอดคล้องกันตลอดช่วงกำลังทั้งหมด การเปิดตัว SEMiX ช่วยให้เราสามารถตุนโมดูลผลิตภัณฑ์มาตรฐานก่อนการผลิตได้ เพื่อให้สามารถผลิตและจัดส่งผลิตภัณฑ์ที่กำหนดเองได้อย่างรวดเร็ว สำหรับนักออกแบบคอนเวอร์เตอร์ นี่หมายความว่าการวัดกำลังและหน้าที่ของส่วนประกอบโมดูลนั้นง่ายกว่า และยังสามารถลดความซับซ้อนของกระบวนการพัฒนาและเวลาที่ใช้ได้อีกด้วย บนพื้นฐานนี้ เพื่อตอบสนองโทโพโลยีแบบกำหนดเองของลูกค้า' และตระหนักถึงการขยายอย่างต่อเนื่องของชุดผลิตภัณฑ์ของลูกค้า' ความต้องการของตลาดต่อไปคือการเชื่อมต่อที่เหมาะสมกับอุปกรณ์ต่อพ่วงโมดูลพลังงาน ประกอบด้วยขั้วต่อวงจรหลักแบบสั้นและปรับได้ และการเชื่อมต่อวงจรรวมของไดรฟ์ เป็นครั้งแรกที่แพลตฟอร์ม SEMiX ติดตั้งวงจรไดรฟ์โดยตรงบนโมดูลพลังงาน ซึ่งทำให้เส้นทางการเชื่อมต่อสั้นมาก บทสรุป เนื่องจากเทคโนโลยีชิปที่ยอดเยี่ยมความหนาแน่นในปัจจุบันของเซมิคอนดักเตอร์กำลังที่ทันสมัยจึงเพิ่มขึ้นประมาณ 50% เมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์กำลังในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนานี้เพิ่มข้อกำหนดโดยตรงสำหรับการรวมส่วนประกอบและเทคโนโลยีการเชื่อมต่อในโมดูลเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า ตลอดจนข้อกำหนดสำหรับการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ สำหรับระบบระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ ได้เอาชนะปัจจัยจำกัดต่างๆ ที่ไม่เอื้อต่อการลดต้นทุนได้ โดยพิจารณาจากตัวชี้วัดทางเทคนิค เช่น การสูญเสียการนำไปข้างหน้าที่เหมาะสมและความถี่สวิตชิ่งสูง เทคโนโลยีชิปที่มีอยู่จำนวนมากมีข้อดีที่สอดคล้องกับการใช้งานเฉพาะ ด้วยการเปิดตัวชุดโมดูลใหม่ของ SEMIX' SEMIKRON สามารถจัดหาผลิตภัณฑ์โมดูลาร์ที่หลากหลายซึ่งสามารถแก้ปัญหาเฉพาะลูกค้าได้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ SEMIX จะถูกเพิ่มและขยายอย่างต่อเนื่องในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า