Ce groupe a été créé afin de mettre à profit toute l'expérience acquise par SEMIKRON au cours des près de 20 années passées à proposer des systèmes d'alimentation intégrés à ses clients. Initialement, seuls des modules de puissance et des drivers étaient proposés, mais aujourd'hui, le niveau d'intégration s'est accru pour inclure l'électronique de commande, permettant ainsi aux équipements d'intégrer les logiciels clients et de fonctionner comme des systèmes complets.
Les systèmes d'alimentation SKAI offrent un haut niveau d'intégration et des avantages significatifs par rapport aux systèmes existants. De plus, ils ont été conçus pour répondre aux normes et systèmes de qualification les plus exigeants de l'industrie automobile, réduisant ainsi les coûts de développement du produit final et les délais de mise sur le marché. Les systèmes SKAI sont fournis sous forme de plateformes standard à base de MOSFET basse tension ou d'IGBT haute tension. Ils peuvent également être personnalisés pour répondre aux besoins spécifiques des clients.
Un système, trois types
Le générateur haute tension SKAI2 est disponible en versions 600 V et 1200 V, intégrant des IGBT et un refroidissement par eau. Il a été optimisé pour des applications telles que les véhicules électriques et les bus électriques et hybrides. Ce système repose sur les modules SKiM93, entièrement sans soudure, et comprend un bus de condensateurs en polypropylène, des pilotes de déclenchement, un contrôleur DSP de pointe, des filtres CEM et des capteurs de courant, de tension et de température. L'ensemble est intégré dans un boîtier IP67. La communication avec l'unité de contrôle centrale s'effectue via un bus CAN. Ces systèmes sont conçus pour des puissances allant jusqu'à 150 kW (voir figures 1 et 2).
La version basse tension intègre un refroidissement par eau ou par air et est équipée de MOSFET de 50, 100, 150 ou 200 V. Les topologies disponibles comprennent un onduleur triphasé et un onduleur triphasé double (montage dos à dos). Ces systèmes sont principalement utilisés dans les véhicules industriels tels que les chariots élévateurs électriques. La puissance de sortie de cet équipement peut atteindre 40 kW. De plus, ils intègrent les mêmes fonctionnalités que le système IGBT, permettant ainsi aux clients de bénéficier du même système de commande, des mêmes connexions et des mêmes composants mécaniques.
Le troisième type de SKAI 2 est un système multiconvertisseur refroidi par eau. Un système multiconvertisseur typique comprend un convertisseur actif frontal de 40 kVA, un onduleur triphasé de 20 kVA, un onduleur triphasé de 10 kVA et un convertisseur CC/CC 14 V/300 A ou 28 V/165 A (voir figures 3 et 4).
Tous les modules SKAI2 ont été qualifiés par diverses méthodes, telles que les tests de vieillissement accéléré (HALT), les tests de fiabilité et les tests de fin de vie, afin de garantir leur conformité à toutes les réglementations applicables du secteur automobile. Le contact thermique et électrique est assuré par une technologie de contact par pression, ce qui accroît considérablement la durée de vie du produit et sa résistance à la fatigue. Les systèmes et composants semi-conducteurs sont fabriqués selon des procédés de haute technologie incluant des tests fonctionnels après production et, le cas échéant, des tests de rodage, garantissant ainsi un haut niveau de qualité.
Technologies innovantes
De nombreux facteurs influent sur l'efficacité et la fiabilité des systèmes d'alimentation.
Pour optimiser l'efficacité en termes de coût, d'encombrement et de performances, tout en garantissant une fiabilité élevée, il est essentiel de combiner efficacement les puces, le conditionnement, la conception mécanique et les performances thermiques. Cette tâche peut s'avérer complexe si le concepteur doit se baser sur des systèmes commerciaux standard, car il est crucial d'optimiser le choix des puces et de réaliser correctement les connexions électriques pour obtenir des performances système optimales.
De nombreux fabricants de systèmes se concentrent sur une seule technologie, comme les MOSFET ou les IGBT, ou sur des applications ne nécessitant qu'un seul niveau de tension. Cependant, la grande diversité des exigences des systèmes actuels rend crucial le choix de la technologie semi-conductrice adaptée à chaque application. En tant que fabricant majeur de semi-conducteurs de puissance, SEMIKRON repousse les limites dans des domaines tels que la taille et la température. Par exemple, SEMIKRON produit de grandes quantités de pilotes d'IGBT et de MOSFET et, forte de cette expertise, a développé des circuits intégrés spécifiques (ASIC) qui réduisent considérablement la taille des systèmes et le nombre de composants, tout en améliorant la fiabilité.
Les dernières avancées en électronique de puissance visent à obtenir des densités de courant plus élevées, une meilleure intégration des systèmes et une fiabilité accrue. Parallèlement, il est nécessaire de standardiser et de réduire le coût des interfaces, ainsi que de concevoir des produits flexibles et modulaires. SEMIKRON a fait figure de pionnier dans ce domaine en utilisant la technologie des contacts à ressort pour les connexions électriques.
La fiabilité des modules de puissance classiques est insuffisante pour de nombreuses applications d'électronique de puissance récentes. Par exemple, ces modules classiques présentent une résistance limitée aux cycles thermiques. Le développement de nouvelles techniques est donc nécessaire pour répondre aux exigences élevées de fiabilité des applications modernes.
La fatigue des soudures constitue une autre limitation importante de la durée de vie des modules de puissance. Dans les conceptions traditionnelles, cette fatigue contribue significativement aux défaillances en fin de vie des modules, notamment en cas de fortes variations de température de fonctionnement, fréquentes dans de nombreuses applications. Plusieurs technologies ont été développées pour éliminer les joints soudés. Chacune offre des avantages mineurs par rapport à la conception classique, mais leur combinaison apporte des gains significatifs.
Le principal problème causé par les hautes températures et les cycles thermiques est le délaminage du joint soudé. Ce problème a été entièrement résolu dans les systèmes SKAI grâce à l'utilisation de la technologie de frittage, qui permet de lier les puces semi-conductrices au substrat céramique. Cela permet aux systèmes SKAI de fonctionner à des températures plus élevées avec une fiabilité accrue.
Le joint fritté est constitué d'une fine couche d'argent qui offre de meilleures propriétés thermiques qu'un joint soudé. De plus, l'absence de délamination garantit une faible résistance thermique constante sur des dizaines de milliers de cycles de puissance et de température. Le point de fusion élevé de l'argent prévient également la fatigue du matériau.
Les systèmes SKAI 2 sont proposés avec ou sans logiciel de contrôle. Si nécessaire, SEMIKRON peut collaborer avec ses clients pour développer ce logiciel. Le client peut également utiliser son propre logiciel. Cette flexibilité lui permet de fabriquer des équipements dotés de fonctionnalités personnalisées.
Le SKAI 2 dans les applications pour véhicules agricoles
Ces systèmes sont également utilisés dans les véhicules agricoles, tels que les tracteurs.
Par exemple, un constructeur de tracteurs souhaitait développer un système d'alimentation électrique pour réduire la consommation de carburant et le bruit de ses tracteurs haut de gamme.
Jusqu'alors, les équipements auxiliaires étaient reliés mécaniquement au moteur/générateur principal par des engrenages. Ce système ne permettait pas un fonctionnement optimal des auxiliaires, ce qui entraînait une baisse d'efficacité et une augmentation de la consommation de carburant. L'objectif était donc de déconnecter tous les équipements auxiliaires du moteur principal. Pour ce faire, un générateur relié au moteur principal a été utilisé afin de produire l'énergie électrique nécessaire. Un convertisseur de puissance a été connecté à ce générateur pour garantir le fonctionnement optimal du ventilateur, du compresseur d'air, de la climatisation et de l'alimentation 14 V existante du tracteur.
Un système d'alimentation hautement intégré a été développé pour répondre aux spécifications du client, basé sur le système multi-convertisseur SKAI. Ce système comprend plusieurs convertisseurs de puissance qui contrôlent le flux d'énergie électrique entre les différents systèmes. Il peut être alimenté par un générateur triphasé ou un bus CC et communique avec le système de commande principal du véhicule via un bus CAN. Les composants semi-conducteurs intégrés au système ont été sélectionnés parmi la gamme MiniSKiiP, reconnue pour sa grande fiabilité.
L'association de différentes solutions techniques permet de réduire la consommation de carburant, les émissions et le bruit.
Systèmes d'alimentation intégrés
De nombreuses améliorations ont été apportées en vue d'une plus grande intégration des systèmes d'alimentation. Toutefois, des progrès supplémentaires en matière de fiabilité, d'efficacité, de taille et de polyvalence seront nécessaires pour accroître la présence des systèmes d'alimentation intégrés sur le marché.
Grâce à son expertise pointue réunie au sein d'un groupe de travail unique, le groupe Systèmes de SEMIKRON est en mesure d'offrir à ses clients des niveaux d'intégration élevés, des techniques de refroidissement des équipements améliorées, des performances accrues des circuits intégrés spécifiques (ASIC) et des technologies d'encapsulation innovantes.
De nouveaux systèmes d'isolation des puces, de nouvelles méthodes de fixation des puces au module et, à terme, la suppression totale des liaisons filaires contribueront à renforcer la fiabilité et l'efficacité de ces systèmes.
Auteur : Paul Newman, directeur général de SEMIKRON UK Ltd.
