Корпорация Mitsubishi Electric (TOKYO: 6503) объявила о разработке технологии для интеграции силовых устройств, пассивных элементов, датчиков и других встроенных компонентов в одну подложку. Новая технология была внедрена в двунаправленном преобразователе постоянного тока (DC-DC) на 100 кВт (длительный режим).
Плотность мощности преобразователя составляет 136 кВт/л, что в восемь раз больше, чем у обычных преобразователей. Считается, что по этому показателю новый преобразователь является безусловным мировым лидером*. Данная технология должна способствовать уменьшению размеров силового электронного оборудования.
Ключевые характеристики
Новая технология корпусирования Mitsubishi Electric позволяет снизить паразитную индуктивность в контуре переключения тока до уровня менее 1/10 от значения для обычных преобразователей. Результатом является быстрое переключение, обеспечивающее коммутацию на высоких рабочих частотах в карбид-кремниевых (SiC) полевых транзисторах с металл-оксидполупроводниковой структурой (MOSFET). Технология способствует значительному уменьшению размеров пассивных компонентов, таких как реакторы для сглаживания тока и конденсаторы, которые занимают много места в преобразователях постоянного тока.
История вопроса и описание технологии
Одним из основных компонентов, влияющих на размеры силовых преобразователей, используемых в силовом электронном оборудовании, являются дроссели. Новая технология Mitsubishi Electric снижает паразитную индуктивность контура переключения тока до уровня менее 1 нГн**. Это приводит к повышению рабочей частоты и позволяет снизить размеры дросселей для получения более высокой плотности мощности.
Силовые преобразователи, выполненные по обычной технологии, имеют высокую паразитную индуктивность контура переключения тока, поскольку сборка состоит из токонесущих проводников и пассивных компонентов, расположенных вне корпуса силового модуля (красная линия на рис. 1). Переключение с высокой скоростью при большой паразитной индуктивности вызывает значительные осцилляции напряжения (красная кривая на рис. 2). Это может вывести силовые модули из строя и повысить уровень электромагнитных помех. Чтобы избежать подобных проблем, скорость переключения целенаправленно ограничивается (черная кривая на рис. 2). Однако низкоскоростное переключение неэффективно из-за высоких потерь в расчете на одну операцию коммутации (рис. 3). Кроме того, ограничение высокой
рабочей частоты препятствует уменьшению размеров дросселей в силовых преобразователях.
Новая технология Mitsubishi Electric позволяет встраивать компоненты в одну и ту же подложку, благодаря чему паразитная индуктивность контура переключения тока (красная линия на рис. 4) снижается до уровней менее 1 нГн. В результате может быть получен силовой преобразователь, в котором реализована такая востребованная и присущая карбид-кремниевым устройствам характеристика, как высокая скорость переключения (рис. 5). Благодаря способности преобразователя работать на высокой частоте (рис. 6) уменьшение размеров пассивных компонентов может составить до 80 %.
Будущие разработки
Будет изучаться возможность увеличения степени интеграции за счет использования многофункциональных компонентов.
Вклад в защиту окружающей среды
Новая технология позволит сократить площадь, занимаемую силовым электронным оборудованием.
*Согласно исследованиям Mitsubishi Electric на 25 марта 2020 г.
**Наногенри - 10-9 от единицы измерения электрической индуктивности в один генри (Гн).
