La force motrice du développement de nouveaux produits et technologies dans le domaine de l'électronique de puissance provient de la demande croissante du marché's pour une densité de puissance plus élevée, une meilleure intégration du système, une robustesse et une fiabilité plus élevée. Dans le même temps, le marché exige des produits à faible coût, des interfaces standardisées, une évolutivité et une modularité flexibles. Au cours des dernières années, le domaine de l'électronique de puissance s'est principalement concentré sur la recherche, le développement et la mise à niveau de nouveaux circuits intégrés haute puissance positionnés sur des marchés cibles spécifiques. Cela a non seulement conduit à la production de modules IGBT standard, mais également à certains types spéciaux de modules optimisés pour répondre aux besoins spécifiques des clients. Les modules série à faibles pertes sont optimisés pour réduire la chute de tension à l'état passant. Cependant, en raison de sa perte de commutation très élevée, il n'est utile d'utiliser ce type de module que dans des applications avec des fréquences de commutation plus faibles. En parallèle, l'industrie a également développé des modules ultra-rapides utilisés dans le domaine des hautes fréquences de commutation. En raison du faible courant de queue, ces modules IGBT sont idéaux pour les convertisseurs à commutation résonante. De plus, la nouvelle génération de modules d'alimentation intégrés a une densité de puissance et une efficacité plus élevées sans modifier le volume du module. Les nouveaux IGBT en tranchée et les IGBT à perforation douce sont au centre des futures recherches et développements dans cette direction, augmentant ainsi encore la gamme d'options de modules disponibles. La densité de courant du module composé de la dernière génération d'IGBT à tranchées et de diodes de roue libre à contrôle de durée de vie des porteurs axiales atteint 200A/cm2 (Figure 1). Une densité de courant aussi élevée rend la taille du boîtier existant plus efficace, c'est-à-dire que la surface de puce requise par le niveau de courant existant diminuera progressivement. Par exemple, en 1999, le courant nominal du plus grand module demi-pont de 1200 V de SEMIKRON' était de 400 A, mais aujourd'hui, le même boîtier peut fournir un courant de 600 A. En raison de l'amélioration continue de la densité de puissance, les fabricants et les utilisateurs de modules de puissance sont souvent confrontés à de nouveaux défis.
Figure 1 L'évolution de la densité de courant
Pendant un certain temps, le volume des convertisseurs de puissance ne dépend plus de la taille des modules semi-conducteurs de puissance, mais de composants passifs tels que des condensateurs, des inductances et des filtres. Ce phénomène est particulièrement vrai pour les variateurs de faible puissance, comme le montre un rapport de recherche de (1) ECPE (Centre européen d'électronique de puissance). Pour les variateurs modernes de moins de 2,2 kW, le boîtier du module semi-conducteur de puissance ne représente que 6 % du volume total de l'appareil, ce qui équivaut à peu près au volume occupé par la borne de câble. La banque de condensateurs du circuit intermédiaire représente environ 12 % du volume, ce qui correspond à deux des dispositifs d'alimentation. Le composant qui prend le plus de place est le circuit imprimé de commande (environ 23 % du volume), car il contient non seulement les circuits de commande et de commande, mais également le bloc d'alimentation et les filtres EMI (Figure 2). Une telle tendance s'étend également aux systèmes de conversion à haute puissance. Les appareils électroniques de puissance deviennent de plus en plus petits, mais le volume des composants passifs, des câbles et des bornes du circuit principal reste fondamentalement inchangé.
Figure 2 Comparaison de divers composants/volumes sur un variateur moderne de 2,2 kW
De nos jours, la taille des dispositifs de puissance ne dépend plus de la surface occupée par les puces semi-conductrices, mais des bornes du circuit principal. Par conséquent, il est irréaliste de s'attendre à réduire le volume des modules électroniques de puissance afin de réduire les coûts et d'atteindre le même degré que la réduction de la taille des puces. De plus, en présence de vibrations, de grandes sections de câbles et de barres omnibus DC provoqueront des contraintes relativement importantes sur le module, et ces facteurs peuvent même avoir un effet négatif sur la fiabilité des composants de connexion. Par conséquent, les composants de soulagement des contraintes et les composants de renforcement mécanique supplémentaires pour les liaisons de circuits à courant continu jouent également un rôle important dans la conception des convertisseurs de puissance. La densité de puissance sans cesse croissante dans les modules semi-conducteurs pose de plus en plus de problèmes de dissipation thermique pour les utilisateurs. Lorsque la puissance reste la même, le volume du module devient de plus en plus petit et la valeur de perte de puissance du module de puissance de volume unitaire augmente progressivement, ce qui impose des exigences plus élevées au radiateur. Dans un système de refroidissement à air forcé, en raison de la fiabilité, il est généralement peu probable d'utiliser la puissance maximale du module, car nous ne recommandons pas aux utilisateurs d'augmenter la température du radiateur. Par conséquent, afin d'utiliser au mieux le radiateur, il est nécessaire de disperser la source de chaleur pour éviter les points chauds. En lançant le module SEMiX®, SEMIKRON a proposé une nouvelle référence qui utilise un seul module demi-pont au lieu d'un module intégré à six tubes dans les composants de puissance. Lorsque le refroidissement par air forcé est utilisé, des modules peuvent être installés à intervalles. En raison de l'effet de conduction thermique correspondant, la température du substrat du module est beaucoup plus basse, ce qui peut augmenter la puissance de sortie. La figure 3 montre l'effet positif de la transmission de chaleur. Dans cet exemple, si les modules sont installés sur le dissipateur thermique à intervalles réguliers, la température maximale du dissipateur thermique est réduite de 96°C à 91°C. Bien entendu, le module demi-pont peut également être remplacé par un module de boîtier intégré à six tubes. Dans ce cas, si un refroidissement par eau est utilisé, une solution compacte avec une densité de puissance plus élevée peut être obtenue.
Depuis quelque temps, certaines personnes concentrent leurs recherches sur le développement de nouvelles technologies de montage et de connexion pour s'adapter à l'utilisation de nouvelles puces à densité de courant croissante. Jusqu'à présent, aucune technologie n'a été complètement couronnée de succès en raison des limitations de fiabilité et de flexibilité. En outre, le développement de nouvelles technologies de connexion est également entraîné par une plus grande intégration (circuits de pilotage et composants passifs) et une technologie de dissipation thermique double face pour les puces de module. Grâce à l'utilisation de circuits imprimés multicouches, de dispositifs métallisés, de boîtiers à souder et même de circuits imprimés incurvés (2), de grands progrès ont été réalisés dans la technologie des connexions. L'utilisation de ces technologies hautement intégrées dans les modules électroniques de puissance commerciaux n'est qu'une question de temps. Développement de plates-formes de produits En plus des défis techniques mentionnés ci-dessus, les plates-formes de produits dans le domaine de l'électronique de puissance jouent également un rôle de plus en plus important. Le soi-disant développement de plate-forme de produits se réfère ici au développement de modules de base, qui sont des plates-formes pour développer ou concevoir différentes séries de produits. Par exemple, lorsque nous voyons les mêmes composants de moteur et de châssis de voiture sur différents modèles de voitures du même constructeur, on peut dire que l'industrie automobile est le précurseur de cette"plateforme de produits" concept. Nos clients mettent également en œuvre la même stratégie lors du développement et de la production de convertisseurs, mais le problème est que leurs activités de développement n'ont pas reçu un soutien suffisant de la part des fabricants de semi-conducteurs. Dans les modules semi-conducteurs actuellement vendus sur le marché, il existe trop d'incohérences dans les différents modèles et technologies de connexion. Le résultat est qu'il est difficile pour les clients de fabriquer diverses séries de convertisseurs avec des performances constantes basées sur des composants et modules standard. En raison du lancement de la plate-forme de produits SEMiX®, SEMIKRON s'engage à fournir une solution pour les modules de la gamme 15-150 kW. La figure 4 illustre le concept de la plate-forme de produits SEMiX®. Sur la base du module de base, différentes versions de module peuvent être produites pour différentes gammes de puissance, topologies, niveaux d'intégration et différentes formes d'emballage, afin de répondre aux besoins d'utilisateurs spécifiques en temps opportun.
Pour différents niveaux de courant et structures topologiques, le module de base lui-même a quatre types différents d'emballage de module. Cependant, ces quatre packages sont basés sur la même plate-forme de composants internes, ce qui signifie que l'interface entre le circuit intermédiaire et le circuit de commande est cohérente sur toute la plage de puissance. Le lancement de SEMiX nous permet de nous approvisionner en ce module de produit standard de pré-production, afin que des produits personnalisés puissent être rapidement fabriqués et livrés. Pour les concepteurs de convertisseurs, cela signifie que la mesure de la puissance et des fonctions des composants du module est plus simple, et cela peut également réduire la complexité du processus de développement et le temps qu'il prend. Sur cette base, répondre à la topologie personnalisée du client's et réaliser l'extension continue de la série de produits du client'. L'autre demande du marché est la connexion optimisée des périphériques des modules de puissance. Il comprend des bornes de circuit principal courtes et adaptables et la connexion du circuit intégré du variateur. Pour la première fois, la plate-forme SEMiX a installé le circuit d'entraînement directement sur le module de puissance, ce qui a rendu le chemin de connexion très court. Conclusion En raison de la superbe technologie des puces, la densité de courant des semi-conducteurs de puissance modernes a augmenté d'environ 50 % par rapport aux semi-conducteurs de puissance de ces dernières années. Ce développement augmente directement les exigences en matière d'intégration de composants et de technologie de connexion dans les modules à semi-conducteurs de puissance, ainsi que les exigences en matière de dissipation thermique des appareils. Pour les systèmes de refroidissement à air forcé, divers facteurs limitants qui ne sont pas propices à la réduction des coûts ont été surmontés. En tenant compte d'indicateurs techniques tels que la perte de conduction directe optimale et la fréquence de commutation élevée, de nombreuses technologies de puces existantes présentent des avantages correspondant à des applications spécifiques. Avec le lancement de la nouvelle série de modules SEMIX', SEMIKRON peut fournir une large gamme de produits modulaires pouvant réaliser des solutions spécifiques au client. La gamme de produits SEMIX sera continuellement enrichie et étendue au cours des prochaines années.