מאת: Alberto Guerra Power electronics. עם יותר מ-200 מיליוני מנועים בעלי הספק זעיר המיוצרים מידי שנה, האפשרות לחסוך באנרגיה על-ידי אימוץ פיתרון בעל מהירות משתנה המבוקר אלקטרונית היא משמעותית ביותר. למעשה, 55 אחוזים מהאנרגיה החשמלית הכוללת המיוצרת בעולם משמשים להפעלת מנועים מכל הגדלים, הצורות והיעילות. הזנות בעלות מהירות משתנה יכולות לחסוך עד כדי 70 אחוזים מעלויות האנרגיה בעזרת שינוי מהירות העומס. תקני יעילות האנרגיה החדשים עבור מאווררים ומשאבות דורשים אימוץ מנועים מבוקרים אלקטרונית ומהווים אתגרים נוספים עבור מתכנני האלקטרוניקה.
מתחת לתחום הספק ה-200 ואט, כאשר המנוע מופעל ברוב המכריע של הזמן בשבריר מההספק המרבי, FredFETs יותר מ-IGBTs מציעים יתרונות גדולים יותר ביעילות וגישה יותר כלכלית. (למידע נוסף אודות FredFETs, ראה את התיבה “מהו FredFET?”)
משפחת המוצרים ™µIPM של IR היא הפיתרון בעל מתח גבוה מרובה-שבבים הראשון המבוסס על טכנולוגיית מארז QFN תקנית. גישה חילופית חדשה זו המקודמת על-ידי IR (פטנט בתהליך), משתמשת בעקבות נחושת של PCB כדי לפזר חום מהמודול, דבר המהווה חיסכון בעלות באמצעות תכנון מארז קטן יותר וביישומים מסוימים על-ידי ביטול השימוש בגוף קירור חיצוני.
המשפחה החדשה ביותר של ™ µIPM מאפשרת למתכננים לפתור את האתגרים הטכניים של תכנון פיתרונות מתקדמים החוסכים-באנרגיה, בצירוף עם תקני האנרגיה החדשים ביותר עבור מאווררים (חימום ואוורור) או משאבות (תנועת מים), עד 200 ואט בעזרת פיתרון מבוסס-QFN יעיל ביותר, קומפקטי ביותר, משולב ביותר.
מבט על השוק בשל מגמות חדשות
באירופה, החקיקה העיקרית המובילה את השאיפה ליישומי מאווררים ומשאבות בעלי יעילות גדלה היא ההנחיה 2009/125/EC: ההנחיה של ה-European Energy (ERP) Related Products. מיועדת למזער את צריכת האנרגיה ולתמוך בפליטות פחם נמוכות יותר על-ידי שיפור יעילות האנרגיה, חקיקה זו מחליפה את הנחיית Energy Using Products () ומספקת בסיס לקביעת דרישות eco-design מזעריות עבור מוצרים הצורכים אנרגיה והקשורים לאנרגיה. ההנחיה ממומשת בשלבים שונים, כאשר תאריכי המפתח עבור מאווררים ומשאבות-תנועה הם 1 בינואר 2013 ו-1 בינואר 2015, כפי שהוגדר בתקנות EU 327/2011 ו-EC 641/2009 בהתאמה.
אין להפחית בחשיבות תקנות חדשות אלה מאחר שלדוגמה, בין 30 אחוזים ו-50 אחוזים של המאווררים הנמצאים בשוק לא יענו לדרישות ה-ERP ומנועי מאווררים צורכים בערך 20 אחוזים מכלל החשמל המיוצר באירופה. המצב עלול להיות עוד יותר גרוע עבור המשאבות המשמשות למערכות הסקה ומיזוג אוויר בהן התקנה דורשת מקדם יעילות אנרגיה (EEI) של <0.27 ועד <0.23 ב-01/01/2015 (כיום מוצרי Class A הם ב-<0.40).
גישה עדכנית
הצורך לייטב את היעילות בעומס קל (פחות מ-50% של ערכי העומס המלא של המנוע) מחייב את השימוש במוליכים למחצה המתאימים ביותר להציע פיזור הספק נמוך יותר ברמה קטנה של זרם העומס המרבי. עם רמת הספק של עד 200 ואט, טכנולוגיית FredFET מתאימה במיוחד עבור תחום זה של יישומים באמצעות גורם איכות figure of merit של כ-6.9ohm-2mm עבור מתח חסימה של 500 וולט, בדומה לטכנולוגיה IGBT מסורתית. איור 3 משווה את מאפייני ההובלה של טכנולוגיות IGBT שונות וטכנולוגיית FredFet של IR ב-1500C.
נוכחות מתח סף במאפייני ההובלה IGBT פוגעת במתגי IGBT בהפסדי הובלה כוללים בהשוואה ל-MOSFET. חשוב גם לציין שכדי למזער את הפסדי המיתוג לרמה הדומה לתנועה חופשית טיפוסית של דיודה בשימוש רגיל עם IGBTs, יש לתכנן ולעבד את דיודת הגוף FET כדי להקטין את זמן התאוששות המיתוג ומטעני ההתאוששות. כדי להשיג מאפיין התאוששות מהיר, מפעילים על הפרוסות קרינה אלקטרונית. התוצאה היא דיודת-גוף שלמה בעלת מאפייני התאוששות מהירים המיוטבת עבור פעולת מיתוג מתחת ל-6~7 קילו-הרץ. איור 2 משווה את זמן ההתאוששות החוזרת עבור דיודת התאוששות מהירה ביותר ודיודת גוף FredFET.
על-ידי שימוש ב-FredFET, מספר הרכיבים הכולל של ההתקן הרב-שבבי מצטמצם מ-13 ל-7 שבבים, ומפשט בכך את תהליך ההרכבה.
הזנות מדחס במתקני קירור הן יישומים קלאסיים בהם היעילות בעומס קל נחשבת ליסודית, מאחר שעבור הרוב הגדול של זמן המדחסים פועלים בשבריר של העומס הנומינלי. על-ידי שימוש ב- במקום הצירוף היותר מקובל של IGBT+ דיודה, ניתן להשיג יעילות חשמלית גבוהה יותר בעומס קל כמתואר בטבלה 1 המשווה את התוצאות של מזין מהפך של מדחס מכשירים מתקדם הפועל ב-5 קילו-הרץ עם פס DC של 300 וולט.
PQFN IPM™µ (איור 3) היא דוגמה של פיתרון מהפך(inverter) משולב במלואו לשם שימוש במעגל המודפס כגוף קירור, דומה מאוד לפתרונות המודולים המקובלים היטב ביישומי נקודת-עומס ו-VRM אך לא מוגבלים לראשונה למוצרי מתח נמוך. משפחת ה-™µIPM מציעה גם מדידת ביצועים חדשה בממדיה בהשוואה לכל פיתרון שווה-ערך של המתחרים, קטן ב-עד 60% יותר מאשר כל IC-הספק לבקרת מנועים מוביל הקיים כיום.
משפחת ה-™µIPM, המזוודת במארזים דמויי-QFN, כוללת סדרה של פתרונות מעגלי בקרת מנועים משולבים מלא בעלי 3 פאזות או פאזה יחידה (חצי-גשר).
כמו במארזים מבוססי נקודת-עומס או VRM QFN, המוליכים למחצה בעלי הספק של µIPM’s FredFETs של 500 וולט והפיסה HVIC הם קשורים למסגרת המובילה החשופה ומולחמת למעגל המודפס. ממדים קטנים יותר ופיזור ההספק דרך המעגל המודפס מהווים אתגרים אחדים שיש לטפל בהם כדי להשיג במלואם את הביצועים הכוללים המיוטבים של הזנת המנוע. איור 4 מציג את מארז ה-µIPM. יתרון של חיסכון של עד 60 אחוזים בשטח הכרטיס הוא חשוב בהחלט לאור הדרישה הקבועה של עלויות חומרים נמוכות יותר, ממדים קטנים יותר ותכולת משקל כוללת.
בעזרת שימוש בפיתרון זיווד חדשני, משפחת ה-µIPM מספקת הישג חדש בממדי ההתקן, המציע עד 60% ממדים קטנים יותר מאשר כל IPM לבקרת מנוע 3- פאזות קיים.
משפחת ה-µIPM המוצעת במארז קומפקטי ביותר PQFN 12x12x0.9 ממ’ כוללת סדרת פתרונות משולבים במלואם של מעגלי הזנת מנועים 3-פאזיים מורכבים על השטח. הגישה האלטרנטיבית החדשה ממנפת את עקבות הנחושת במעגל המודפס כדי לפזר את חום המודול ומספקת בכך חסכונות בעלות בעזרת תכנון מארז קטן יותר ואף ביטול הצורך בגוף קירור חיצוני. איור 5 מציג את החתך של ה-µIPM.
ככלל, יכולת הזרם של ה-IPM תלויה במתח אפיק ה-DC, טמפרטורת הסביבה, תדר המיתוג ועבור כל מרכיבים אלה ככל שהם גבוהים יותר, כך גבוהים ההפסדים, סכימת האפנון (לדוגמה 3 פאזות לעומת 2 פאזות), dV/dt של מתח הפאזה וכמובן, מאפייני ה-FET RDS (ON), IRec וכד’). איור 6 מציג את יכולות הזרם כנגד תדר (מקרה של טכניקת האפנון של 3 פאזות ו-2 פאזות).
במקרה של פיתרון מורכב על השטח כגון זה המוצע על-ידי משפחת ה-µIPM, יכולת הזרם תלויה גם בתכנון המעגל המודפס ובמיוחד בעובי הנחושת, שטחי כריות הנחושת, מספר השכבות ולבסוף, הטמפרטורה המרבית המותרת על הכרטיס. במילים אחרות, הטמפרטורה המרבית של צומת המוליכים למחצה של הספק, היא, למעשה פחות מדאיגה מאשר הטמפרטורה המרבית של המעגל. איור 7 הוא צילום תרמי של ה-µIPM.
על-ידי הגדלת עובי הנחושת במעגל, ההתנגדות התרמית הכוללת צומת-לסביבה היא מופחתת ולכן, גם טמפרטורת המעגל. הורדת הטמפרטורה מאפשרת יכולת זרם גבוהה יותר. איור 6 מראה את ההשפעה הישירה של העובי המוגדל של הנחושת במעגל מ-1oz. ל-2oz., על יכולות הזרם.
יכולת זרם המוצא עולה עם גבוה יותר, ועולה גם כאשר משתמשים בסכימת אפנון 2-פאזי לעומת 3-פאזי. בדומה על-ידי הורדת תדר המיתוג, הפסדי מיתוג נמוכים יותר מאפשרים זרם מוצא גבוה יותר.
מגמות הטכנולוגיה
לכל הטופולוגיות המבוססות על מתגים מבוססי-סיליקון יש יכולות שיפור מוגבלות. על-בסיס רכיבים אקטיביים ופסיביים, להזדמנויות שילוב מאולצות יש מגבלה על התפתחות הטכנולוגיה. עבור מודולים משולבים עתידיים, למתגים מבוססי GaN יש גורם איכות (Figure of Merit – FOM) טוב יותר בפוטנציה מאשר לרכיבי הספק אחרים המבוססים על חומר Si או SiC. איור 8 מראה את ההשוואה היחסית של ה-RON FOM הספציפי עבור מתגים מבוססי Si ,SiC ו-GaN. השיפור הפוטנציאלי שניתן להשיג מטכנולוגיית GaN משמעותי על-בסיס מגבלות החומר.
כדי לשפר את יעילות ההמרה הכוללת, כל הטופולוגיות הנ”ל דורשות את מתג ההספק בעל גורם האיכות הספציפי RONxQG הנמוך ביותר. MOSFETs מבוססי-GaN מהווים פוטנציאל גדול בשיפור ה-FOM במהלך השנים הבאות.
בדיקות מוקדמות הוכיחו שלטכנולוגיה של התקני הספק מבוססי GaN יש השפעה חיובית על היעילות הכוללת ועל הממדים גם בטופולוגיות מהפכים מסורתיות. בצירוף עם שיפור גדול במטענים הפרזיטיים Qg ו-Qgd בהשוואה לסיליקון הטוב מסוגו, מתגים מבוססי GaN סיפקו >3x הפחתת ההספק.
הפסדי מיתוג נמוכים יותר
לדור הראשון של אבי-טיפוס של מתגים מבוססי GaN Qrr נמוך יותר 20x בהשוואה ל-IGBT Copak ויותר מ-200xפחות מזה של דיודת הגוף Super Junction .Eoff (מלבד הפסדי המיתוג) של מתגי GaN אלה נמדד ב-72% פחות מאשר עבור IGBT ו-30% נמוך מ-HV Super Junction כמתואר באיור 9.
עבור שלב המהפך, שם ה-IGBT הוא התקני כיום, השיפור של FOM:VDS(ON)xETS (מפל מתח ההובלה מוכפל באנרגיית מיתוג כוללת) המסופק על-ידי מתגים מבוססי GaN הוא כמעט 3x בצפיפות הזרם הנומינלית של 2A/mm2. איור 10 מציג את התקדמות ה-FOM של המתגים מבוססי IGBT ו-GaN.
מאחר שכטכנולוגיית ה-GaN מאופיינת על-ידי מבנה צידי מובנה, הוא מאפשר זיווד flip-chip וביטול מעשי של מרכיבים פרזיטיים בשל השראות-לוואי לשם חיבור המוליכים וההתנגדות הפרזיטית. יתר על כן, המבנה הצידי של ההתקן יאפשר אולי את היכולת להתקני הספק ומזינים משולבים מרובים. דבר זה יוביל את הטכנולוגיה לקראת מארזים יותר קטנים, יותר יעילים ויותר כלכליים.
מהו FredFET?
FredFETs הם FETs דיודות בעלי התאוששות מהירה המיועדים לספק התאוששות מהירה ביותר (בכיבוי) של דיודת הגוף, ההופך אותה למתאימה יותר מאשר MOSFET HV מסורתיים עבור הזנת עומסים השראתיים, דוגמת מנועים חשמליים. איור 11 מראה את מבנה ה-FredFET.
כאשר דיודת הגוף בממתח קדימה, שכבת ה-N-epi של ההתקן מתמלאת חורים. בזמן המעבר ממצב הובלה לחסימה, יש להרחיק חורים אלה. דבר זה צורך כמות סופית של זמן והוא ידוע כ-reverse recovery time
() של הדיודה.
הזרקה מוגברת, לשם הקטנת מפל המתח קדימה, מחייבת יותר מטען מאשר יש להפחית מהאזור הנדון בטרם הדיודה תהיה מסוגלת לחסום מתח. דבר זה, לכן, משפיע על זמן ההתאוששות ההפוך.
על-ידי הכנסת מרכזי שילוב מחדש (recombination) בשכבת ה-n-epi, ניתן לשפר משמעותית את ה-trr של ההתקן. דבר זה נעשה בעזרת טכניקת חסימת זמן-החיים (life-time killing) – במקרה זה הקרנה אלקטרונית לאחר הנחת שכבת הפסיבציה (passivation layer).
הכתבה באדיבות אתר
http://powerelectronics.com/
