SKAI2 – Řešení velkých proudů pro zelenou mobilitu

Kompaktní vozidlový výkonový systém

Uživatelé zařízení výkonové elektroniky používají systémy ověřených dodavatelů již mnoho let, a to kvůli výhodám nižších vývojových nákladů a rychlejšímu dosažení trhu a požadavků norem. S tím, jak jsou normy přísnější, stává se nezbytností vyšší úroveň integrace a přesnější výběr všech elementů systému.

K dosažení těchto požadavků na širokém trhu automotive elektroniky – od vysokozdvižných vozíků přes hybridní a elektrická vozidla po velké zemědělské a stavební stroje – SEMIKRON založil svoji systémovou skupinu „Systems Group“ (SG), aby koncentroval všechny potřebné zkušenosti do jedné organizace. Tato skupina těsně spolupracuje se zákazníky na vývoji výkonových systémů, které jsou na trhu dále označovány SKAI. Nyní je dostupná druhá generace plně integrovaných a testovaných systémů SKAI.

SG byla založena na mnohaleté zkušenosti firmy SEMIKRON v této oblasti. Firma nabízí integrovanou výkonovou elektroniku svým zákazníkům déle než 20 let. Zpočátku to byla kombinace výkonových polovodičů a jejich řízení dle návrhu zákazníků, což přineslo vyšší integraci, nyní toto obsahuje i řídicí elektroniku připravenou k programování a umožňuje vyrobit kompletní systém.

SKAI – vozidlový výkonový systém – představuje vysokou úroveň integrace a nabízí podstatné výhody oproti porovnatelným konkurenčním systémům. Je vyvinut v souladu s posledními automobilovými standardy, poskytuje velmi krátký čas implementace a nízké vývojové náklady. SKAI systém je dodáván jako standardní platforma buď s „low- -voltage“ MOSFET, nebo s „high voltage“ IGBT tranzistory. SEMIKRON je jediný dodavatel zastřešující vše od ověření proveditelnosti přes návrh optimální systémové architektury, elektrických a mechanických simulací až po konečnou kvalifikaci a sériovou výrobu kompletního systému.

Jeden systém, tři typy

Obr. 1 Typický SKAI 2 systém – blokové schéma

„High voltage“ SKAI 2 (SKAI 2 HV) je dostupný jako vodou chlazený, 600/1200 V IGBT střídačový systém a byl optimalizován pro použití v aplikacích, jako jsou plně elektrická vozidla, hybridní vozidla a elektrické autobusy. Tento systém je založen na již ověřeném IGBT modulu SKiM93, který neobsahuje žádnou pájenou vrstvu, dále obsahuje polypropylenový DC-link kondenzátor, driver elektroniku, nejnovější DSP kontrolér, EMC filtry, sensory proudu, napětí a teploty a je dodáván v modulu s krytím IP67. Komunikace s vozidlovým řízením je prostřednictvím CAN sběrnice. Tento systém je navržen pro výstupní výkon do 150 kW (obr. 1 a 2).

Obr. 2 SKAI 2 HV vodou chlazený 600/1200 V IGBT systém optimalizovaný pro plně elektrická vozidla, hybridní vozidla a autobusy

„Low voltage“ SKAI 2 (SKAI 2 LV) je dostupný jako vodou nebo vzduchem chlazený, 50/100/150/200 V MOSFET střídačový systém s jednoduchým nebo dvojitým výstupem, který se hlavně používá v oblasti vysokozdvižných vozíků a dalších vozidel na přesun materiálu. Tento systém je vhodný pro výkony motoru do 40 kW. Obsahuje většinu bloků jako SKAI 2 HV a přináší zákazníkům výhody stejného použití, stejného systému I/O připojení a stejné struktury celého systému. „Low voltage“ SKAI 2 je vyráběn ve dvou variantách jako střídač pro jeden, resp. dva motory. Dvoumotorový střídač pak umožňuje snadnější implementaci takových funkcí, jako např. elektronický diferenciál (obr. 3 a 4).

Obr. 3 Topologie typického multi-converter systému

Všechny SKAI 2 systémy jsou plně kvalifikovány pomocí metody HALT (highly-accelerated life testing) včetně analýzy všech možných chyb v kritických bodech vývojového cyklu tak, aby byl zaručen soulad se všemi relevantními automobilovými normami. Teplovodivý a elektrický kontakt výkonových polovodičů je prostřednictvím tlakového kontaktu, který radikálně zvyšuje životnost a množství zátěžových cyklů. Tyto systémy a polovodičové komponenty jsou vyráběny high-tech výrobním procesem, který zahrnuje konečné funkční testy a je-li vyžadováno, tak i 100% zahoření, které zaručuje maximální stupeň kvality.

Obr. 4 SKAI 2 vysoce integrovaný multi-converter systém

Průlomová technologie

Je mnoho faktorů, které ovlivňují účinnost a spolehlivost výkonových systémů. K dosažení maximální energetické, cenové a prostorové účinnosti společně s vysokou spolehlivostí je nutné zkombinovat nejlepší polovodič, rozmístění, teplotní chování a řízení v návrhu a výrobě výkonového systému. Toto může být často komplikované, když je vývojář závislý na již stávajících komponentech. Je velmi důležité optimalizovat výkonovou část a její připojení pro vyvážený výkon celého systému.

Většina dodavatelů systémů se specializuje na jednu technologii, jako například MOSFET nebo IGBT, nebo se koncentrují na aplikace určitého napájecího napětí. Avšak různorodost dnešních požadavků na systémy klade důraz na možnost výběru ze širokého spektra výkonových polovodičů k dosažení nejvyšší účinnosti v dané aplikaci. Je také velmi důležité pro proces návrhu vzít v úvahu množství problémů závislých na vybrané polovodičové technologii, aby byla zaručena souhra s aplikací. SEMIKRON je důležitým výrobcem výkonových polovodičů a posouvá hranice v oblastech, jako jsou teplota a velikost. Například je výrobcem velkého množství IGBT a MOSFET driverů a na základě této zkušenosti vyvinul optimalizovaný integrovaný obvod (ASIC), který významně redukuje počet použitých komponentů a zvyšuje spolehlivost spolu s dramaticky menším rozměrem.

Současný vývoj ve výkonové elektronice směřuje k dosažení vyšších proudových hustot, systémové integraci a vyšší spolehlivosti. Zároveň je zde tlak na nízkou cenu, standardizované rozhraní stejně jako na flexibilní a modulární produkty. SEMIKRON nastavil standardy v této oblasti použitím pružných kontaktů pro pomocné a výkonové kontakty.

Spolehlivost řešení s klasickými moduly již není dostačující pro vyvíjené aplikace výkonové elektroniky. Například odolnost klasických modulů vůči pasivním teplotním cyklům. Bylo proto nezbytné vyvinout nové techniky, které jsou schopné dosáhnout na požadavky vysoké spolehlivosti v moderních aplikacích.

Největším omezením životnosti výkonového modulu je problém únavy pájené vrstvy. V klasických konstrukcích se toto promítá do životnosti výkonového modulu, zvláště při vysokých teplotních změnách, které jsou dominantní u většiny aplikací. Bylo vyvinuto několik nových technologií, které eliminují pájené kontakty. Každá z těchto nových technologií přináší malé zlepšení oproti klasickým modulům, ale jejich kombinace zaznamenává podstatné zlepšení vlastností.

Největším problémem, který způsobuje vysoká teplota a velké změny teploty, je delaminace pájených spojů. Tento problém byl obejit v nejnovějších SKAI 2 systémech použitím technologie slinutí polovodičového chipu ke keramickému substrátu místo jeho připájení. Zároveň to umožňuje vyšší pracovní teploty při vyšší spolehlivosti. Slinutí na tenké stříbrné vrstvě má výjimečně nízký tepelný odpor v porovnání s klasickým pájeným spojem. Tavný bod stříbra zároveň také brání předčasné únavě materiálu.

SKAI 2 systémy jsou nabízeny s nebo bez řídicího software. Pokud je to vyžadováno, SEMIKRON spolupracuje se svými zákazníky na vývoji software nebo zákazník může použít svůj vlastní software. To dává zákazníkům více volnosti a možností k vývoji systému se svými funkčnostmi.

Integrovaný výkonový systém

K vyšší integraci výkonových systémů bylo provedeno mnoho zlepšení. Avšak další zlepšení ve spolehlivosti, účinnosti, rozměru a univerzálnosti musí být implementována pro další rozvoj a upevnění pozice na trhu. Na základě zkušeností ze všech oborů výkonových systémů, je možné konstatovat, že SEMIKRON System Group má dobrou startovací pozici pro vývoj vyšších stupňů integrace, lepších chladicích technologií, vyšších pracovních teplot chipů a vyšší celkové účinnosti. Nové izolační materiály, nové křemíkové technologie posouvají účinnost a spolehlivost stále dál.