Kekuatan pendorong untuk pengembangan produk dan teknologi baru di bidang elektronika daya berasal dari permintaan pasar yang terus meningkat' akan kepadatan daya yang lebih tinggi, integrasi sistem yang lebih besar, ketangguhan, dan keandalan yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, permintaan pasar akan produk berbiaya rendah, antarmuka standar, skalabilitas fleksibel, dan modularitas. Dalam beberapa tahun terakhir, fokus bidang elektronika daya sebagian besar berfokus pada penelitian, pengembangan, dan peningkatan sirkuit terpadu berdaya tinggi baru yang ditempatkan di pasar sasaran tertentu. Ini tidak hanya mengarah pada produksi modul IGBT standar, tetapi juga beberapa jenis modul khusus yang dioptimalkan untuk memenuhi kebutuhan pelanggan tertentu. Modul seri low-loss dioptimalkan untuk mengurangi drop tegangan on-state. Namun, karena kerugian switching yang sangat tinggi, penggunaan modul jenis ini hanya berarti dalam aplikasi dengan frekuensi switching yang lebih rendah. Sejalan dengan ini, industri juga telah mengembangkan modul ultra-cepat yang digunakan di bidang frekuensi switching tinggi. Karena arus ekor yang kecil, modul IGBT ini ideal untuk konverter switching resonansi. Selain itu, modul terintegrasi daya generasi baru memiliki kepadatan dan efisiensi daya yang lebih tinggi tanpa mengubah volume modul. IGBT parit baru dan IGBT soft punch-through adalah fokus penelitian dan pengembangan masa depan ke arah ini, sehingga semakin meningkatkan jangkauan opsi modul yang tersedia. Kepadatan modul saat ini yang terdiri dari generasi terbaru trench IGBT dan dioda freewheeling kontrol seumur hidup pembawa aksial mencapai 200A/cm2 (Gambar 1). Kepadatan arus yang begitu tinggi membuat ukuran paket yang ada lebih efisien, artinya, area chip yang dibutuhkan oleh level arus yang ada akan berkurang secara bertahap. Misalnya, pada tahun 1999, arus pengenal modul setengah jembatan 1200V terbesar SEMIKRON' adalah 400A, tetapi hari ini paket yang sama dapat menyediakan arus 600A. Karena peningkatan kerapatan daya yang terus-menerus, produsen dan pengguna modul daya sering menghadapi tantangan baru.
Gambar 1 Perkembangan kerapatan arus
Untuk jangka waktu tertentu, volume konverter daya tidak lagi bergantung pada ukuran modul semikonduktor daya, tetapi oleh komponen pasif seperti kapasitor, induktor, dan filter. Fenomena ini terutama berlaku untuk drive berdaya rendah, yang dapat dilihat dari laporan penelitian (1) ECPE (European Center for Power Electronics). Untuk drive modern di bawah 2.2kW, paket modul semikonduktor daya hanya mencakup 6% dari seluruh volume perangkat, yang kira-kira setara dengan volume yang ditempati oleh terminal kabel. Bank kapasitor tautan DC menyumbang sekitar 12% dari volume, yang merupakan dua perangkat daya. Komponen yang menempati ruang terbesar adalah papan sirkuit kontrol (sekitar 23% dari volume), karena tidak hanya berisi drive dan sirkuit kontrol, tetapi juga unit catu daya dan filter EMI (Gambar 2). Tren seperti itu juga meluas ke sistem konversi daya tinggi. Perangkat elektronik daya menjadi semakin kecil, tetapi volume komponen pasif, kabel, dan terminal sirkuit utama pada dasarnya tidak berubah.
Gambar 2 Perbandingan berbagai komponen/volume pada drive 2.2kW modern
Saat ini, ukuran perangkat daya tidak lagi tergantung pada area yang ditempati oleh chip semikonduktor, tetapi pada terminal sirkuit utama. Oleh karena itu, tidak realistis bagi orang untuk berharap mengurangi volume modul elektronika daya untuk mengurangi biaya dan mencapai tingkat yang sama dengan pengurangan ukuran chip. Selain itu, dengan adanya getaran, penampang kabel yang besar dan busbar DC akan menyebabkan tegangan yang relatif besar pada modul, dan faktor-faktor ini bahkan dapat berdampak negatif pada keandalan komponen penghubung. Oleh karena itu, komponen penghilang tegangan dan komponen penguat mekanis tambahan untuk sambungan sirkuit DC juga memainkan peran penting dalam desain konverter daya. Kepadatan daya yang terus meningkat dalam modul semikonduktor menyebabkan semakin banyak masalah pembuangan panas bagi pengguna. Ketika daya tetap sama, volume modul menjadi lebih kecil dan lebih kecil, dan nilai kehilangan daya dari modul daya volume unit secara bertahap meningkat, yang mengedepankan persyaratan yang lebih tinggi pada radiator. Dalam sistem pendingin udara paksa, karena keandalan, biasanya tidak mungkin menggunakan daya maksimum modul, karena kami tidak menyarankan pengguna untuk meningkatkan suhu radiator. Oleh karena itu, untuk memanfaatkan radiator dengan sebaik-baiknya, perlu untuk menyebarkan sumber panas untuk menghindari titik panas. Dengan meluncurkan modul SEMiX®, SEMIKRON telah mengusulkan tolok ukur baru yang menggunakan modul setengah jembatan tunggal alih-alih modul paket enam tabung terintegrasi dalam komponen daya. Saat pendinginan udara paksa digunakan, modul dapat dipasang secara berkala. Karena efek konduksi termal yang sesuai, suhu substrat modul jauh lebih rendah, yang dapat meningkatkan daya keluaran. Gambar 3 menunjukkan efek positif dari transmisi panas. Dalam contoh ini, jika modul dipasang pada unit pendingin secara berkala, suhu maksimum unit pendingin akan berkurang dari 96°C menjadi 91°C. Tentu saja, modul setengah jembatan juga dapat diganti dengan modul paket enam tabung terintegrasi. Dalam hal ini, jika pendingin air digunakan, solusi kompak dengan kepadatan daya yang lebih tinggi dapat dicapai.
Untuk beberapa waktu, beberapa orang telah memfokuskan penelitian mereka pada pengembangan teknologi pemasangan dan koneksi baru untuk beradaptasi dengan penggunaan chip baru dengan kepadatan arus yang meningkat. Sejauh ini, tidak ada satu teknologi pun yang berhasil sepenuhnya karena keterbatasan keandalan dan fleksibilitas. Selain itu, pengembangan teknologi koneksi baru juga didorong oleh integrasi yang lebih besar (sirkuit penggerak dan komponen pasif) dan teknologi pembuangan panas dua sisi untuk chip modul. Karena penggunaan papan sirkuit multi-layer, perangkat logam, paket solder, dan bahkan papan sirkuit melengkung (2) kemajuan besar telah dibuat dalam teknologi koneksi. Penggunaan teknologi yang sangat terintegrasi ini dalam modul elektronik daya komersial hanya masalah waktu. Pengembangan platform produk Selain tantangan teknis yang disebutkan di atas, platform produk di bidang elektronika daya juga memainkan peran yang semakin penting. Yang disebut pengembangan platform produk di sini mengacu pada pengembangan modul dasar, yang merupakan platform untuk mengembangkan atau merancang seri produk yang berbeda. Sebagai contoh, ketika kita melihat komponen mesin dan sasis mobil yang sama pada model mobil yang berbeda dari pabrikan yang sama, dapat dikatakan bahwa industri otomotif adalah cikal bakal dari"product platform" konsep. Pelanggan kami juga menerapkan strategi yang sama selama pengembangan dan produksi konverter, tetapi masalahnya adalah bahwa kegiatan pengembangan mereka belum mendapat dukungan yang memadai dari produsen semikonduktor. Dalam modul semikonduktor yang saat ini dijual di pasaran, ada terlalu banyak inkonsistensi dalam berbagai model dan teknologi koneksi. Akibatnya sulit bagi pelanggan untuk memproduksi berbagai seri konverter dengan kinerja yang konsisten berdasarkan komponen dan modul standar. Karena peluncuran platform produk SEMiX®, SEMIKRON berkomitmen untuk menyediakan solusi untuk modul dalam kisaran 15-150kW. Gambar 4 mengilustrasikan konsep platform produk SEMiX®. Berdasarkan modul dasar, versi modul yang berbeda dapat diproduksi untuk rentang daya yang berbeda, topologi, tingkat integrasi, dan bentuk kemasan yang berbeda, sehingga dapat memenuhi kebutuhan pengguna tertentu secara tepat waktu.
Untuk level arus dan struktur topologi yang berbeda, modul dasar itu sendiri memiliki empat jenis kemasan modul yang berbeda. Namun, keempat paket ini didasarkan pada platform komponen internal yang sama, yang berarti bahwa antarmuka antara tautan DC dan rangkaian penggerak konsisten di seluruh rentang daya. Peluncuran SEMiX memungkinkan kami untuk menyimpan modul produk standar pra-produksi ini, sehingga produk yang disesuaikan dapat diproduksi dan dikirimkan dengan cepat. Bagi desainer konverter, ini berarti pengukuran daya dan fungsi komponen modul menjadi lebih sederhana, dan juga dapat mengurangi kerumitan proses pengembangan dan waktu yang dibutuhkan. Atas dasar ini, untuk memenuhi topologi khusus pelanggan' dan mewujudkan perpanjangan berkelanjutan dari seri produk pelanggan's. Permintaan pasar selanjutnya adalah koneksi periferal modul daya yang dioptimalkan. Ini termasuk terminal sirkuit utama pendek dan dapat disesuaikan dan koneksi sirkuit terpadu drive. Untuk pertama kalinya, platform SEMiX memasang sirkuit drive langsung pada modul daya, yang membuat jalur koneksi menjadi sangat pendek. Kesimpulan Karena teknologi chip yang luar biasa, kepadatan semikonduktor daya modern saat ini telah meningkat sekitar 50% dibandingkan dengan semikonduktor daya beberapa tahun terakhir. Perkembangan ini secara langsung meningkatkan persyaratan untuk integrasi komponen dan teknologi koneksi dalam modul semikonduktor daya, serta persyaratan untuk pembuangan panas perangkat. Untuk sistem pendingin udara paksa, berbagai faktor pembatas yang tidak kondusif untuk pengurangan biaya telah diatasi. Dengan mempertimbangkan indikator teknis seperti kehilangan konduksi maju yang optimal dan frekuensi switching yang tinggi, banyak teknologi chip yang ada memiliki keunggulan sesuai dengan aplikasi tertentu. Dengan peluncuran seri modul baru SEMIX's, SEMIKRON dapat menyediakan berbagai macam produk modular yang dapat mewujudkan solusi khusus pelanggan. Rangkaian produk SEMIX akan terus ditambah dan diperluas dalam beberapa tahun ke depan.