Однако, по мере приближения собственных характеристик SiC-чипов к их теоретическому пределу, акцент в улучшении смещается на другой компонент модуля, которому исторически уделялось меньше внимания: корпус.
Корпус — это не просто контейнер. Это структура, которая электрически соединяет чипы на изолирующей подложке, формирует внутреннюю схему и защищает их от механических вибраций и загрязнений окружающей среды. И именно эта структура является значительным источником паразитной индуктивности, дополнительных потерь и ограничений срока службы из-за термомеханической усталости. Для максимизации производительности SiC требуются более компактные корпуса с меньшими потерями мощности.
Решение: трехмерное соединение с помощью печатной платы и проводящих контактов.
Компания Fuji Electric разработала трехмерную (3D) структуру проводки как новую технологию упаковки, направленную на миниатюризацию и снижение потерь мощности в силовых полупроводниковых модулях на основе SiC.
Концептуальный скачок по сравнению с традиционными конструкциями значителен. Традиционно для соединения микросхем на изолирующей подложке использовались провода и зажимы. В новой структуре проводка заменена печатной платой (PCB), которая соединена в трех измерениях проводящими контактами, запрессованными в плату.
Использование печатной платы в качестве внутреннего элемента межсоединения не является тривиальной задачей. По сравнению с алюминиевыми проводами или медными зажимами, которые доминировали в силовой упаковке на протяжении десятилетий, печатная плата позволяет определять пути тока с гораздо большей геометрической точностью, более равномерно распределяя ток между параллельными микросхемами и уменьшая эффективную длину токовых петель, создающих паразитную индуктивность. Соединение с помощью запрессованных проводящих контактов — вместо пайки — дает дополнительное преимущество с точки зрения воспроизводимости производственного процесса и контроля термомеханической деформации.
Результаты, подтвержденные количественными измерениями: три одновременных улучшения
- Снижение объема: -50%
Новая структура позволила уменьшить объем изделия примерно на 50% по сравнению с традиционным изделием. Для силовой установки электромобиля, где инвертор конкурирует за место с батареей, двигателем и системами охлаждения, такое значительное уменьшение объема полупроводникового модуля имеет прямое значение для механической конструкции силовой установки и возможности расширения салона автомобиля.
- Снижение паразитной индуктивности: -70% → потери при переключении -50%
Оптимизация пути тока с использованием трехмерной структуры проводки позволила снизить паразитную индуктивность внутренней цепи примерно на 70% по сравнению с традиционным изделием, что привело к снижению потерь при переключении примерно на 50%.
Этот результат заслуживает дальнейшего рассмотрения. Паразитная индуктивность в цепи переключения силового MOSFET-модуля напрямую отвечает за перенапряжение, возникающее при выключении. Чем выше индуктивность контура, тем больше скачок напряжения и тем больше требуемый запас напряжения для микросхемы, что негативно сказывается как на выборе компонентов, так и на максимально безопасной рабочей частоте переключения. Снижение паразитной индуктивности на 70% означает, что микросхема может переключаться быстрее с меньшим перенапряжением, лучше используя собственную емкость SiC и уменьшая потери в каждом цикле переключения.
- Увеличение срока службы перехода: в 5 раз
. Проводящая структура контактов уменьшает площадь перехода микросхемы по сравнению с традиционным решением, и, снимая напряжения, возникающие из-за термической деформации в этом переходе, срок службы перехода увеличивается примерно в пять раз.
Усталость паяных соединений является основным механизмом деградации силовых модулей в тяговых приложениях, где термические циклы непрерывны и имеют высокую амплитуду. Тот факт, что новая геометрия проводящих контактов — за счет уменьшения площади контакта и лучшего перераспределения механических напряжений — увеличивает срок службы соединения в пять раз, представляет собой качественный скачок в надежности модуля, оказывающий прямое влияние на интервалы технического обслуживания и частоту отказов в полевых условиях.
Контекст: Гонка за запасом хода электромобилей.
Ожидается, что электромобили получат широкое распространение в среднесрочной и долгосрочной перспективе в условиях декарбонизации. Их силовые установки состоят из двигателя и инвертора, который получает энергию от батареи для питания двигателя. Для преодоления проблем, связанных с увеличением запаса хода и расширением внутреннего пространства, необходимо миниатюризировать электрифицированную силовую установку и повысить ее эффективность.
Связь между потерями в инверторе и запасом хода автомобиля прямая: каждый ватт, потерянный в полупроводниковом модуле, — это энергия, которая не достигает колеса. При типичной мощности тягового инвертора (от десятков до сотен киловатт) снижение потерь при переключении на 50% приводит к значительному повышению общей эффективности системы и, следовательно, к увеличению пробега на одной зарядке.
План коммерциализации.
Данная технология будет применяться в силовых полупроводниковых модулях компании в течение всего 2026 финансового года. Компания Fuji Electric имеет большой опыт в разработке и производстве модулей IGBT и SiC для тяговых систем, представленная как производителями автомобилей, так и поставщиками силовых установок первого уровня.
Заключение:
Разработанная компанией Fuji Electric 3D-структура проводки представляет собой значительный шаг вперед не только благодаря достигнутым численным показателям — вдвое меньшему объему, снижению паразитной индуктивности на 70%, вдвое меньшим потерям при переключении и пятикратному увеличению срока службы перехода, — но и благодаря целостности решения: одно конструктивное решение в корпусе одновременно повышает плотность мощности, эффективность и надежность — три параметра, определяющие конкурентоспособность SiC-модулей в тяговых приложениях. С учетом запланированного внедрения в 2026 году, индустрия электромобилей получит доступ к модулям со значительно лучшим соотношением производительности к объему, чем у текущего поколения.
