Эта группа была создана для объединения всего опыта, накопленного компанией SEMIKRON за почти 20 лет работы по предоставлению интегрированных систем электропитания своим клиентам. Первоначально предлагались только силовые модули и драйверы, но в настоящее время уровень интеграции повысился и включает в себя управляющую электронику, благодаря чему оборудование готово к установке программного обеспечения заказчика и может использоваться как полноценная система.
Силовые системы SKAI отличаются высоким уровнем интеграции и значительными преимуществами по сравнению с другими существующими системами. Кроме того, они разработаны в соответствии с самыми строгими стандартами и системами квалификации в автомобильной промышленности, что снижает затраты на разработку конечного продукта и сокращает время выхода на рынок. Системы SKAI поставляются в стандартной комплектации на базе низковольтных MOSFET-транзисторов или высоковольтных IGBT-транзисторов. Системы SKAI также могут быть адаптированы под конкретные требования заказчика.
Одна система, три типа
Высоковольтный модуль SKAI2 доступен в версиях на 600 В и 1200 В, оснащен IGBT-транзисторами и системой водяного охлаждения. Он оптимизирован для использования в таких областях, как полностью электрические автомобили, а также электрические и гибридные автобусы. Эта система основана на модулях SKiM93, которые на 100% не требуют пайки, и включает в себя шину полипропиленовых конденсаторов, драйверы триггеров, современный DSP-контроллер, ЭМС-фильтры, а также датчики тока, напряжения и температуры. Все это интегрировано в корпус со степенью защиты IP67. Связь с центральным блоком управления осуществляется по шине CAN. Эти системы рассчитаны на мощность до 150 кВт (см. рис. 1 и рис. 2).
Низковольтная версия оснащена водяным или воздушным охлаждением и оборудована MOSFET-транзисторами на 50, 100, 150 или 200 В. Доступные топологии включают трехфазный инвертор и двухфазный инвертор (двойной трехфазный инвертор). Эти системы в основном используются в промышленной технике, такой как электрические вилочные погрузчики и т. д. Выходная мощность этого оборудования может достигать 40 кВт. Кроме того, они обладают теми же характеристиками, что и системы на IGBT-транзисторах, поэтому заказчики получают преимущества от использования той же системы управления, соединений и механических компонентов.
Третий тип SKAI 2 представляет собой многоконвертерную систему с водяным охлаждением. Типичная многоконвертерная система включает в себя активный преобразователь мощностью 40 кВА, трехфазный инвертор мощностью 20 кВА, трехфазный инвертор мощностью 10 кВА и преобразователь постоянного тока 14 В/300 А или 28 В/165 А (см. рис. 3 и рис. 4).
Все модули SKAI2 прошли квалификацию с использованием различных методов, таких как ускоренные испытания на долговечность (HALT), испытания на надежность и испытания на окончание срока службы, что гарантирует соответствие всем применимым нормам автомобильной промышленности. Тепловой и электрический контакт достигается с помощью технологии контактного давления, что значительно увеличивает срок службы изделия и устойчивость к усталостному разрушению. Полупроводниковые системы и компоненты изготавливаются с использованием высокотехнологичных процессов, включающих функциональное тестирование после производства и, при необходимости, испытания на долговечность, что гарантирует высокий уровень качества.
Инновационные технологии
На эффективность и надежность энергетических систем влияет множество факторов.
Для достижения максимальной эффективности с точки зрения стоимости, занимаемого пространства и производительности, а также высокой надежности, важно правильно подобрать комбинацию микросхем, корпусов, механической конструкции и тепловых характеристик. Это может стать сложной задачей, если разработчику приходится полагаться на стандартные коммерческие системы, поскольку крайне важно оптимизировать выбор микросхем и правильно выполнить электрические соединения для достижения оптимальной производительности системы.
Многие производители систем сосредотачиваются на одной технологии, например, на MOSFET или IGBT, или концентрируются на приложениях, требующих только одного уровня напряжения. Однако широкий спектр требований к современным системам делает выбор правильной полупроводниковой технологии для каждого конкретного приложения критически важным. Будучи крупным производителем силовых полупроводников, компания SEMIKRON может расширять границы возможностей в таких областях, как размеры и температурный диапазон. Например, SEMIKRON производит большие объемы драйверов для IGBT и MOSFET, и, опираясь на этот опыт, разработала специализированные интегральные схемы (ASIC), которые значительно уменьшают размеры системы и количество компонентов, одновременно повышая надежность.
Последние разработки в области силовой электроники сосредоточены на достижении более высоких плотностей тока, улучшенной системной интеграции и повышенной надежности. Одновременно возникает необходимость стандартизации и снижения стоимости интерфейсов, а также в разработке гибких и модульных изделий. Компания SEMIKRON задала тренд в этой области, используя технологию пружинных контактов для электрических соединений.
Надежность классических конструкций силовых модулей недостаточна для многих современных применений в силовой электронике. Например, эти классические модули ограничены в своей способности выдерживать температурные циклы. Поэтому для удовлетворения высоких требований к надежности, предъявляемых современными приложениями, необходима разработка новых технологий.
Еще одним существенным ограничением срока службы силовых модулей является проблема усталости припоя. В традиционных конструкциях эта усталость вносит значительный вклад в отказы силовых модулей в конце срока службы, особенно в случаях больших колебаний рабочей температуры, которые распространены во многих приложениях. Было разработано несколько технологий для исключения паяных соединений. Каждая из них предлагает незначительные преимущества по сравнению с классической конструкцией, но их сочетание дает значительные выгоды.
Основная проблема, вызванная высокими температурами и температурными циклами, — это расслоение паяного соединения. Эта проблема полностью решена в системах SKAI за счет использования технологии спекания, которая применяется для соединения полупроводниковых чипов с керамической подложкой. Это позволяет SKAI работать при более высоких температурах с повышенной надежностью.
Спеченное соединение состоит из тонкого слоя серебра, который обладает лучшими тепловыми свойствами, чем паяное соединение. Кроме того, расслоение не происходит, что обеспечивает стабильно низкое тепловое сопротивление на протяжении десятков тысяч циклов изменения мощности и температуры. Высокая температура плавления серебра также предотвращает усталость материала.
Системы SKAI 2 предлагаются с программным обеспечением управления или без него. При необходимости компания SEMIKRON может сотрудничать со своими клиентами в разработке программного обеспечения. В качестве альтернативы клиент может использовать собственное программное обеспечение. Это обеспечивает клиенту большую гибкость и позволяет производить оборудование с собственными индивидуальными характеристиками.
Применение SKAI 2 в сельскохозяйственной технике
Эти системы также используются в транспортных средствах, предназначенных для сельскохозяйственной техники, таких как тракторы.
Например, производитель тракторов хотел разработать электрическую силовую установку для снижения расхода топлива и уровня шума в своих высококлассных тракторах.
До этого вспомогательное оборудование на тракторах было механически соединено с главным двигателем/генератором через шестерни. Это препятствовало оптимальной работе вспомогательных систем, что приводило к снижению эффективности и увеличению расхода топлива. Целью было отключение всего вспомогательного оборудования от главного двигателя. Для достижения этой цели использовался генератор, подключенный к главному двигателю, для выработки необходимой электроэнергии. К этому генератору был подключен преобразователь мощности для обеспечения оптимальной работы вентилятора, воздушного компрессора, кондиционера и существующей 14-вольтовой сети питания трактора.
Для удовлетворения требований заказчика была разработана высокоинтегрированная система электропитания на основе многоконвертерной системы SKAI. Эта система включает в себя несколько преобразователей мощности, которые управляют потоком электрической энергии между различными системами. Она может питаться от трехфазного генератора или шины постоянного тока и взаимодействует с основной системой управления транспортным средством через шину CAN. Полупроводниковые компоненты, интегрированные в систему, были выбраны из высоконадежного семейства MiniSKiiP. Сочетание
различных технических решений приводит к снижению расхода топлива, уменьшению выбросов и снижению уровня шума.
Интегрированные энергетические системы
На пути к большей интеграции силовых систем было достигнуто множество улучшений. Однако для расширения присутствия интегрированных силовых систем на рынке потребуются дальнейшие усовершенствования в области надежности, эффективности, размеров и универсальности.
Благодаря обширному опыту, накопленному в рамках единой рабочей группы, группа систем SEMIKRON готова предложить клиентам высокий уровень интеграции, усовершенствованные методы охлаждения оборудования, повышенную производительность ASIC и инновационные технологии упаковки.
Новые системы изоляции микросхем, новые методы крепления микросхем к модулю и, в будущем, полное исключение проволочных соединений еще больше повысят надежность и эффективность этих систем.
Автор: Пол Ньюман, управляющий директор SEMIKRON UK Ltd.
