パワーエレクトロニクス分野における新製品および新技術の開発の原動力は、市場&＃39;より高い電力密度、より優れたシステム統合、堅牢性、およびより高い信頼性に対する需要の高まりから来ています。 同時に、市場は低コストの製品、標準化されたインターフェース、柔軟な拡張性、およびモジュール性を求めています。 過去数年間、パワーエレクトロニクス分野の焦点は、特定のターゲット市場に位置する新しい高出力集積回路の研究、開発、およびアップグレードに主に焦点を合わせてきました。 これにより、標準のIGBTモジュールだけでなく、特定の顧客のニーズを満たすように最適化されたいくつかの特殊なタイプのモジュールも製造されました。 低損失シリーズモジュールは、オン状態の電圧降下を低減するように最適化されています。 ただし、スイッチング損失が非常に高いため、このタイプのモジュールをスイッチング周波数の低いアプリケーションで使用することは意味があります。 これに対応して、業界は高スイッチング周波数の分野で使用される超高速モジュールも開発しました。 テール電流が小さいため、これらのIGBTモジュールは共振スイッチングコンバータに最適です。 さらに、新世代の電力統合モジュールは、モジュールのボリュームを変更することなく、より高い電力密度と効率を実現します。 新しいトレンチIGBTとソフトパンチスルーIGBTは、この方向での将来の研究開発の焦点であり、それによって利用可能なモジュールオプションの範囲がさらに広がります。 最新世代のトレンチIGBTとアキシャルキャリア寿命制御フリーホイーリングダイオードで構成されるモジュールの電流密度は200A / cm2に達します（図1）。 このような高い電流密度は、既存のパッケージサイズをより効率的にします。つまり、既存の電流レベルに必要なチップ面積は徐々に減少します。 たとえば、1999年のSEMIKRON &＃39;最大の1200Vハーフブリッジモジュールの定格電流は400Aでしたが、現在、同じパッケージで600Aの電流を供給できます。 電力密度の継続的な改善により、メーカーとパワーモジュールのユーザーはしばしば新しい課題に直面します。
図1電流密度の変化
一定期間、電力変換器の容量は、パワー半導体モジュールのサイズに依存するのではなく、コンデンサ、インダクタ、フィルタなどの受動部品に依存します。 この現象は、（1）ECPE（European Center for Power Electronics）の調査レポートからわかるように、特に低電力ドライブに当てはまります。 2.2kW未満の最新のドライブの場合、パワー半導体モジュールパッケージはデバイス全体の体積の6％しか占めていません。これは、ケーブル端子が占める体積とほぼ同じです。 DCリンクコンデンサバンクは、パワーデバイスの2つであるボリュームの約12％を占めています。 最大のスペースを占めるコンポーネントは、制御回路基板（体積の約23％）です。これは、駆動回路と制御回路だけでなく、電源ユニットとEMIフィルターも含まれているためです（図2）。 このような傾向は、高電力変換システムにも広がっています。 パワーエレクトロニクスデバイスはますます小さくなっていますが、受動部品、ケーブル、主回路端子の量は基本的に変わりません。
図2最新の2.2kWドライブのさまざまなコンポーネント/ボリュームの比較
現在、パワーデバイスのサイズは、半導体チップが占める面積ではなく、主回路端子に依存しています。 したがって、パワーエレクトロニクスモジュールの体積を減らしてコストを削減し、チップサイズの削減と同程度を達成することを期待することは非現実的です。 さらに、振動が存在する場合、ケーブルの断面積が大きく、DCバスバーがモジュールに比較的大きな応力を発生させ、これらの要因が接続コンポーネントの信頼性に悪影響を与える可能性さえあります。 したがって、DC回路リンク用の応力緩和コンポーネントおよび追加の機械的補強コンポーネントも、電力変換器の設計において重要な役割を果たします。 半導体モジュールの電力密度の増加は、ユーザーにますます多くの熱放散の問題を引き起こしています。 電力が同じままであると、モジュールの体積はますます小さくなり、単位体積の電力モジュールの電力損失値は徐々に増加します。これにより、ラジエーターに対する要件が高くなります。 強制空冷システムでは、信頼性のため、ラジエーターの温度を上げることをユーザーに推奨しないため、通常、モジュールの最大電力を使用することはほとんどありません。 したがって、ラジエーターを最大限に活用するには、熱源を分散させてホットスポットを回避する必要があります。 SEMIKRONは、SEMiX®モジュールを発売することにより、電源コンポーネントに統合された6チューブパッケージモジュールの代わりに単一のハーフブリッジモジュールを使用する新しいベンチマークを提案しました。 強制空冷を使用する場合、モジュールを間隔を置いて取り付けることができます。 対応する熱伝導効果により、モジュール基板の温度ははるかに低くなり、出力電力が増加する可能性があります。 図3は、熱伝達のプラスの効果を示しています。 この例では、モジュールがヒートシンクに間隔を置いて取り付けられている場合、ヒートシンクの最高温度は96°Cから91°Cに低下します。 もちろん、ハーフブリッジモジュールは統合された6チューブパッケージモジュールに置き換えることもできます。 この場合、水冷を使用すると、より高い電力密度のコンパクトなソリューションを実現できます。
しばらくの間、電流密度が増加する新しいチップの使用に適応するために、新しい取り付けおよび接続技術の開発に研究を集中させてきた人もいます。 これまでのところ、信頼性と柔軟性の限界のために、単一のテクノロジーが完全に成功しているわけではありません。 さらに、新しい接続技術の開発は、モジュールチップの統合（駆動回路と受動部品）の強化と両面熱放散技術によっても推進されています。 多層回路基板、金属化デバイス、はんだ付けパッケージ、さらには湾曲した回路基板（2）の使用により、接続技術は大きく進歩しました。 これらの高度に統合された技術を商用パワーエレクトロニクスモジュールで使用するのは時間の問題です。 製品プラットフォームの開発上記の技術的課題に加えて、パワーエレクトロニクス分野の製品プラットフォームもますます重要な役割を果たしています。 ここでのいわゆる製品プラットフォーム開発とは、さまざまな製品シリーズを開発または設計するためのプラットフォームである基本モジュールの開発を指します。 たとえば、同じメーカーの異なる車種で同じ車のエンジンとシャーシコンポーネントを見ると、自動車業界がこの& quot;製品プラットフォーム& quot;の先駆けであると言えます。 概念。 お客様もコンバーターの開発・製造において同じ戦略を実行していますが、問題は半導体メーカーからの開発活動が十分にサポートされていないことです。 現在市場に出回っている半導体モジュールでは、モデルや接続技術の違いが多すぎます。 その結果、お客様が標準のコンポーネントやモジュールに基づいて一貫した性能を備えたさまざまなコンバータシリーズを製造することは困難です。 SEMiX®製品プラットフォームの発売により、SEMIKRONは15〜150kWの範囲のモジュールにソリューションを提供することをお約束します。 図4は、SEMiX®製品プラットフォームの概念を示しています。 基本モジュールに基づいて、特定のユーザーのニーズにタイムリーに対応するために、さまざまな電力範囲、トポロジ、統合レベル、およびさまざまなパッケージ形式に対してさまざまなモジュールバージョンを作成できます。
さまざまな電流レベルとトポロジー構造に対して、基本モジュール自体には4つの異なるタイプのモジュールパッケージがあります。 ただし、これら4つのパッケージは、同じ内部コンポーネントプラットフォームに基づいています。つまり、DCリンクと駆動回路の間のインターフェイスは、電力範囲全体で一貫しています。 SEMiXの発売により、この試作前の標準製品モジュールを購入できるため、カスタマイズされた製品を迅速に製造して納品することができます。 コンバーターの設計者にとって、これはモジュールコンポーネントの電力と機能の測定がより簡単であり、開発プロセスの複雑さとそれにかかる時間を削減できることを意味します。 これに基づいて、顧客&＃39;のカスタマイズされたトポロジーに対応し、顧客&＃39;の製品シリーズの継続的な拡張を実現します。 さらなる市場の需要は、パワーモジュール周辺機器の最適化された接続です。 これには、短絡して適応可能な主回路端子とドライブ集積回路の接続が含まれます。 SEMiXプラットフォームは初めて、駆動回路を電源モジュールに直接取り付けたため、接続パスが非常に短くなりました。 結論優れたチップ技術により、最新のパワー半導体の電流密度は、過去数年間のパワー半導体と比較して約50％増加しています。 この開発により、パワー半導体モジュールのコンポーネント統合と接続技術の要件、およびデバイスの熱放散の要件が直接引き上げられます。 強制空冷システムでは、コスト削減につながらないさまざまな制限要因が克服されています。 最適な順方向導通損失や高いスイッチング周波数などの技術的指標を考慮すると、多くの既存のチップ技術には特定のアプリケーションに対応する利点があります。 SEMIX &＃39;の新しいモジュールシリーズの発売により、SEMIKRONは、顧客固有のソリューションを実現できる幅広いモジュラー製品を提供できます。 SEMIX製品シリーズは、今後数年間で継続的に追加および拡張されます。