تأتي القوة الدافعة لتطوير منتجات وتقنيات جديدة في مجال إلكترونيات الطاقة من الطلب المتزايد في السوق&لزيادة كثافة الطاقة ، وزيادة تكامل النظام ، والصلابة ، والموثوقية الأعلى. في الوقت نفسه ، متطلبات السوق للمنتجات منخفضة التكلفة ، والواجهات الموحدة ، وقابلية التوسع المرنة والنمطية. في السنوات القليلة الماضية ، ركز مجال إلكترونيات الطاقة في الغالب على البحث والتطوير والارتقاء بالدوائر المتكاملة الجديدة عالية الطاقة الموضوعة في أسواق مستهدفة محددة. لم يؤد ذلك إلى إنتاج وحدات IGBT القياسية فحسب ، بل أدى أيضًا إلى بعض الأنواع الخاصة من الوحدات المحسّنة لتلبية احتياجات العملاء المحددة. تم تحسين وحدات سلسلة منخفضة الخسارة لتقليل انخفاض الجهد على الدولة. ومع ذلك ، نظرًا لخسارة التحويل العالية جدًا ، فمن المفيد فقط استخدام هذا النوع من الوحدات في التطبيقات ذات ترددات التحويل المنخفضة. بالتوازي مع ذلك ، طورت الصناعة أيضًا وحدات فائقة السرعة تُستخدم في مجال ترددات التحويل العالية. نظرًا لتيار الذيل الصغير ، تعد وحدات IGBT هذه مثالية لمحولات التحويل الرنانة. بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع الجيل الجديد من وحدات الطاقة المتكاملة بكثافة طاقة أعلى وكفاءة أعلى دون تغيير حجم الوحدة. تعد IGBTs الجديدة و IGBTs الناعمة محور البحث والتطوير المستقبلي في هذا الاتجاه ، وبالتالي زيادة نطاق خيارات الوحدات المتاحة. تصل الكثافة الحالية للوحدة المكونة من أحدث جيل من خندق IGBTs وثنائيات التحكم في عمر الناقل المحوري إلى 200 ألف / سم 2 (الشكل 1). تجعل هذه الكثافة الحالية العالية حجم الحزمة الحالية أكثر كفاءة ، أي أن مساحة الرقاقة التي يتطلبها المستوى الحالي ستنخفض تدريجياً. على سبيل المثال ، في عام 1999 ، كانت أكبر وحدة جسر نصف جسر 1200 فولت من SEMIKRON&هي 400A ، ولكن اليوم يمكن أن توفر الحزمة نفسها تيار 600A. نظرًا للتحسين المستمر لكثافة الطاقة ، غالبًا ما يواجه المصنعون ومستخدمو وحدات الطاقة تحديات جديدة.
الشكل 1 تطور كثافة التيار
لفترة من الزمن ، لم يعد حجم محولات الطاقة يعتمد على حجم وحدات أشباه موصلات الطاقة ، ولكن يعتمد على المكونات السلبية مثل المكثفات والمحاثات والمرشحات. تنطبق هذه الظاهرة بشكل خاص على محركات الأقراص منخفضة الطاقة ، والتي يمكن رؤيتها من تقرير بحثي لـ (1) ECPE (المركز الأوروبي لإلكترونيات الطاقة). بالنسبة لمحركات الأقراص الحديثة التي تقل عن 2.2 كيلو وات ، تمثل حزمة وحدة أشباه الموصلات الكهربائية 6٪ فقط من حجم الجهاز بالكامل ، وهو ما يعادل تقريبًا الحجم الذي يشغله طرف الكابل. يمثل بنك مكثف الارتباط DC حوالي 12 ٪ من الحجم ، وهو اثنان من أجهزة الطاقة. المكون الذي يشغل أكبر مساحة هو لوحة دائرة التحكم (حوالي 23٪ من الحجم) ، لأنها لا تحتوي فقط على دوائر القيادة والتحكم ، بل تحتوي أيضًا على وحدة إمداد الطاقة ومرشحات EMI (الشكل 2). يمتد هذا الاتجاه أيضًا إلى أنظمة التحويل عالية الطاقة. أصبحت أجهزة الطاقة الإلكترونية أصغر وأصغر ، لكن حجم المكونات السلبية والكابلات ومحطات الدائرة الرئيسية لم يتغير بشكل أساسي.
الشكل 2 مقارنة بين المكونات / الأحجام المختلفة على محرك حديث 2.2kW
في الوقت الحاضر ، لم يعد حجم أجهزة الطاقة يعتمد على المنطقة التي تشغلها رقائق أشباه الموصلات ، ولكن على أطراف الدائرة الرئيسية. لذلك ، من غير الواقعي أن يتوقع الناس تقليل حجم وحدات الطاقة الإلكترونية لتقليل التكاليف وتحقيق نفس درجة تقليل حجم الرقاقة. علاوة على ذلك ، في حالة وجود اهتزاز ، ستسبب المقاطع العرضية للكابلات الكبيرة وأشرطة التوصيل DC ضغطًا كبيرًا نسبيًا على الوحدة ، وقد يكون لهذه العوامل تأثير سلبي على موثوقية مكونات التوصيل. لذلك ، تلعب مكونات تخفيف الضغط ومكونات التقوية الميكانيكية الإضافية لوصلات دارة التيار المستمر دورًا مهمًا في تصميم محولات الطاقة. تسبب كثافة الطاقة المتزايدة باستمرار في وحدات أشباه الموصلات المزيد والمزيد من مشاكل تبديد الحرارة للمستخدمين. عندما تظل الطاقة كما هي ، يصبح حجم الوحدة أصغر وأصغر ، وتزداد قيمة فقد الطاقة لوحدة حجم وحدة الطاقة تدريجياً ، مما يضع متطلبات أعلى على المبرد. في نظام تبريد الهواء القسري ، بسبب الموثوقية ، من غير المحتمل عادةً استخدام الطاقة القصوى للوحدة ، لأننا لا نوصي المستخدمين بزيادة درجة حرارة المبرد. لذلك ، من أجل تحقيق أقصى استفادة من المبرد ، من الضروري تشتيت مصدر الحرارة لتجنب النقاط الساخنة. من خلال إطلاق وحدة SEMiX® ، اقترحت SEMIKRON معيارًا جديدًا يستخدم وحدة نصف جسر واحدة بدلاً من وحدة حزمة متكاملة بستة أنابيب في مكونات الطاقة. عند استخدام تبريد الهواء القسري ، يمكن تركيب الوحدات على فترات. نظرًا لتأثير التوصيل الحراري المقابل ، تكون درجة حرارة ركيزة الوحدة أقل بكثير ، مما قد يزيد من طاقة الخرج. يوضح الشكل 3 التأثير الإيجابي لانتقال الحرارة. في هذا المثال ، إذا تم تثبيت الوحدات النمطية على المشتت الحراري على فترات ، يتم تقليل درجة الحرارة القصوى للمشتت الحراري من 96 درجة مئوية إلى 91 درجة مئوية. بالطبع ، يمكن أيضًا استبدال وحدة نصف الجسر بوحدة حزمة متكاملة من ستة أنابيب. في هذه الحالة ، إذا تم استخدام التبريد المائي ، فيمكن تحقيق حل مضغوط ذي كثافة طاقة أعلى.
لبعض الوقت ، ركز بعض الأشخاص أبحاثهم على تطوير تقنيات تركيب واتصال جديدة للتكيف مع استخدام رقائق جديدة ذات كثافة حالية متزايدة. حتى الآن ، لم تنجح أي تقنية بشكل كامل بسبب محدودية الموثوقية والمرونة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تطوير تقنيات الاتصال الجديدة مدفوع أيضًا بتكامل أكبر (دوائر القيادة والمكونات السلبية) وتكنولوجيا تبديد الحرارة على الوجهين لرقائق الوحدة. نظرًا لاستخدام لوحات الدوائر متعددة الطبقات والأجهزة المعدنية وحزم اللحام وحتى لوحات الدوائر المنحنية (2) تم إحراز تقدم كبير في تكنولوجيا التوصيل. إن استخدام هذه التقنيات المتكاملة للغاية في الوحدات الإلكترونية للطاقة التجارية ليس سوى مسألة وقت. تطوير منصة المنتج بالإضافة إلى التحديات التقنية المذكورة أعلاه ، تلعب منصات المنتجات في مجال إلكترونيات الطاقة أيضًا دورًا متزايد الأهمية. يشير ما يسمى بتطوير منصة المنتج هنا إلى تطوير الوحدات الأساسية ، وهي منصات لتطوير أو تصميم سلسلة منتجات مختلفة. على سبيل المثال ، عندما نرى نفس محرك السيارة ومكونات الهيكل على طرازات سيارات مختلفة من نفس الشركة المصنعة ، يمكن القول أن صناعة السيارات هي رائدة هذا&مثل ؛ منصة المنتج&مثل ؛ مفهوم. يقوم عملاؤنا أيضًا بتنفيذ نفس الاستراتيجية أثناء تطوير المحولات وإنتاجها ، ولكن المشكلة تكمن في أن أنشطة التطوير الخاصة بهم لم تتلق دعمًا كافيًا من مصنعي أشباه الموصلات. في وحدات أشباه الموصلات التي تُباع حاليًا في السوق ، هناك الكثير من التناقضات في النماذج المختلفة وتقنيات الاتصال. والنتيجة هي أنه من الصعب على العملاء تصنيع سلسلة محولات متنوعة بأداء ثابت يعتمد على المكونات والوحدات القياسية. نظرًا لإطلاق منصة منتجات SEMiX® ، تلتزم SEMIKRON بتوفير حل للوحدات في نطاق 15-150 كيلو وات. يوضح الشكل 4 مفهوم منصة منتجات SEMiX®. استنادًا إلى الوحدة الأساسية ، يمكن إنتاج إصدارات مختلفة من الوحدات النمطية لنطاقات طاقة مختلفة ، وطبولوجيا ، ومستويات تكامل ، وأشكال تغليف مختلفة ، وذلك لتلبية احتياجات مستخدمين محددين في الوقت المناسب.
بالنسبة للمستويات الحالية المختلفة والهياكل الطوبولوجية ، تحتوي الوحدة الأساسية نفسها على أربعة أنواع مختلفة من تغليف الوحدة. ومع ذلك ، تعتمد هذه الحزم الأربع على نفس النظام الأساسي للمكونات الداخلية ، مما يعني أن الواجهة بين رابط التيار المستمر ودائرة القيادة متسقة عبر نطاق الطاقة بأكمله. يتيح لنا إطلاق SEMiX تخزين وحدة المنتج المعيارية قبل الإنتاج هذه ، بحيث يمكن إنتاج المنتجات المخصصة وتسليمها بسرعة. بالنسبة لمصممي المحولات ، هذا يعني أن قياس قوة ووظائف مكونات الوحدة هو أبسط ، ويمكن أن يقلل أيضًا من تعقيد عملية التطوير والوقت الذي تستغرقه. على هذا الأساس ، لتلبية الهيكل المخصص للعميل&وتحقيق الامتداد المستمر لسلسلة منتجات العميل &. الطلب الإضافي في السوق هو الاتصال الأمثل للأجهزة الطرفية لوحدة الطاقة. وهي تشمل محطات دارة رئيسية قصيرة وقابلة للتكيف ووصلة دائرة متكاملة لمحرك الأقراص. لأول مرة ، قامت منصة SEMiX بتثبيت دائرة القيادة مباشرة على وحدة الطاقة ، مما جعل مسار الاتصال قصيرًا جدًا. الخلاصة بسبب تقنية الرقاقة الرائعة ، زادت الكثافة الحالية لأشباه موصلات الطاقة الحديثة بنحو 50٪ مقارنة بأشباه موصلات الطاقة في السنوات القليلة الماضية. يثير هذا التطور بشكل مباشر متطلبات تكامل المكونات وتكنولوجيا الاتصال في وحدات أشباه موصلات الطاقة ، فضلاً عن متطلبات تبديد حرارة الجهاز. بالنسبة لأنظمة تبريد الهواء القسري ، تم التغلب على العديد من العوامل المقيدة التي لا تساعد على خفض التكلفة. مع الأخذ في الاعتبار المؤشرات الفنية مثل فقدان التوصيل الأمامي الأمثل وتردد التحويل العالي ، تتمتع العديد من تقنيات الرقائق الحالية بمزايا تتوافق مع تطبيقات محددة. مع إطلاق سلسلة الوحدات الجديدة SEMIX&، يمكن لـ SEMIKRON توفير مجموعة واسعة من المنتجات المعيارية التي يمكنها تحقيق حلول خاصة بالعميل. ستتم إضافة سلسلة منتجات SEMIX وتوسيعها بشكل مستمر في السنوات القليلة القادمة.