התפקיד הקריטי של אריזה ב- GTO Thyristor Reliability

שער Turn-Off (GTO) Thyristors כבר זמן רב היו העורכים של יישומים בעלי כוח גבוה, מכוננים של מערכת הרכבות ובקרות מוטוריות תעשייתיות במערכות השידור HVDC. בניגוד ל- Thyristors קונבנציונליים, GTOs יכול להיות כבוי על ידי זרם שער שלילי, נותן מהנדסים שליטה קנס יותר על זרימת כוח.עם זאת, התקנים חשמליים, תרמיים ומכניים אלה לסבול כי תפקוד פנימי רק עשור, לא הופך את ההשפעות ארוכות יותר של תפקודים, יש לחץ על פני כדור הארץ, יש לחץ על פני השטח, יש לחץ ארוך יותר, יש לחץ על פני כדור הארץ, יש לחץ על פני השטח, יש לחץ על פני השטח, יש לחץ על פני כדור הארץ, יש לחץ על פני השטח של חומרים מתקדמים יותר, יש לחץ על פני אנרגיה, יותר, על פני אנרגיה, יש לחץ על פני אנרגיה, על פני כדור הארץ, יש לחץ על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, יש לחץ על פני אנרגיה ארוך יותר, על פני אנרגיה, על פני אנרגיה, על פני השטח של חומרים מתקדמים יותר, על פני זרימת כוח.

אריזות GTO מודרניות חייבות ליישב דרישות סותרות: בידוד מתח גבוה, הסרת חום יעילה, אינדוקקט קצבי נמוך, וחוספס מכני - כל זה בתוך טביעת רגל קומפקטית.כפי יישומים לדחוף לעבר מתחים חסימת גבוה יותר (6.5 kV ומעבר) וטמפרטורות צומת מעל 125 מעלות צלזיוס, גישות אריזה מסורתיות כבר לא מספיק.התעשייה הגיבה עם מעצבי מיקוד בניהול תרמי, חשמל בידוד, ועיצובים, ובדיקה של אותם כמה שיותר.

פריצת דרך בניהול התרמומל

הלחץ הירומל הוא הגורם המוביל לכישלון במכשירים חצי-מוליכים למחצה בעוצמה גבוהה.כל מחזור כוח גורם להתרחבות התכווצות בסיליקון, שכבות מכר, וחומרים מבסיסים חוזרים על התרחבות תרמית שונה בסופו של דבר גורם סדקים, דלמנטום, ופתיחת אג"ח חוט. כדי להרחיב את חיי GTO, יצרנים שוקלים כמעט כל אלמנט תרמי.

חומרים מורכבים עם התנהגות גבוהה יותר

מחזורי נחושת ישירים מסורתיים (DCB) substrates להשתמש alumina (Al2O3) כמו מחזורי קרמיקה המבודדים, המציעים מוליכות תרמית של בערך 24–28 W/(mK) בעוד מתאים לעיצובים ישנים יותר, הערך הזה משודרג כעת באמצעות אימוץ של צמיגים אלומיניום (AlTO) strates.N מספק התנהגות תרמית בטווח של 170-200 W/m) במהירות נמוכה יותר מ- 10 מעלות צלזיוס, בעוד שתחת רמה גבוהה יותר מ- בעודם, לעומת 10.

מעבר ל-AlN, סיליקון nitride (Si3N4) substrates צוברים מתחנן עבור יישומים הדורשים מוליכות תרמית גבוהה וכוח מכני קיצוני. Si3N4 משלב מוליכות של כ-90 W/(mK) עם קשיחות רבה כמעט כפולת של AlN, מה שהופך אותו אידיאלי עבור מודולים שיש לשרוד רטט חמור או חזרות תרמיות ב-F:0Power-F3tras לעומת 303N).

ערוצים מגניבים וחדשנות בסיסית

תנורי חום חיצוניים נותרו חיוניים, אבל מהנדסי האריזה מתרחקים מבסיסים פשוטים של מתכננים לקראת מבנים המשלבים קירור ישירות לתוך המודול.גישה אחת היא שילוב של מערךים פינים - או מעוותים לתוך בסיס או מחובר באמצעות מכרים בעלי ביצועים גבוהים - אשר מגביר את השטח הזמין עבור העברה חום convective. כאשר נעשה שימוש עם אוויר או קירור, לוחות אלה יכולים להוריד עמידות תרמיים מבסיס נמוך יותר מ צומת יחסית ל צומת נמוך עד 40%.

עבור מאגרי הכוח הגבוהים ביותר, יצרנים מטביעים ערוצי קירור מוטבעים ישירות בתוך ה-baseplate. Using Model Manufacturing (3D Print) כדי ליצור גאמטריה פנימית מורכבת, מעצבים יכולים לייצר לוחות בסיס עם נחשין או ערוצים דמויי פי כפולה, אשר נתבונן בתוך מ"מ של מקור החום.

חומרים מתקדמים של ממשק (TIM)

הממשק בין בסיס החבילה לבין תנור חיצוני הוא נקודה חלשה רב שנתי.רי ביצועים גבוהים TIM הם כעת נוסחאות עם תכונות של שינוי שלב: הם נשארים מוצק בטמפרטורת החדר עבור טיפול קל אבל מכסה בטמפרטורה הפעלה, מילוי פערים מיקרוסקופיים והשגת עוביים אג"ח מתחת 25 מיקרומטר. כמה TIM חדשים משלבים סיבי פחמן או ברון תרמילאים למלא את נפח הדם של חומרים חמים / חום אלה גם על פני 25 סיליקון גבוה יותר.

בידוד חשמלי: יותר וולט, נמוך יותר Leakage

כמו מערכות חשמל אלקטרוניקה לדחוף לעבר מתחים באוטובוס גבוה יותר (למשל, 3.3 kV ומעל לכוננים תעשייתיים, 6.5 kV עבור רכבת), השכבות המבודדות בתוך חבילות GTO חייבות לעמוד בשדות חשמליים אינטנסיביים ללא דהוג. סיליקון ג'ל סיליקון סיליקון, בעוד יעיל במתחים בינוניים, יכול לסבול מפירוק ושחרור חלקי תחת לחץ גבוה.

High-Temperature Dielectrics ו- Multilayer Insulation

סרטי פולימד, המשמשים בשילוב עם תת-שכבות קרמיקה, מספקים כוח דיאלקטרי גבוה (בדרך כלל מעל 200 V / מיקרומטר) תוך שמירה על שלמות מבנית בטמפרטורות עד 300 מעלות צלזיוס, יצרנים כעת שכבת סרטים אלה עם מערכת סיליקון נוספת או epoxy resin כדי ליצור מחסום בידוד מואץ.

עבור אריזות לעיתונות GTOs, שבו הדיסק Semiconductor הוא מוקרן בין שני אלקטרודות נחושת מסיבי, אתגר בידוד חשמלי הוא תובעני במיוחד.כאן, יצרנים משתמשים שיחים קרמיקה עשויים מאלומיניום גבוה או zirconia, דיוק-ground כדי להשיג מרחקים רפיח עקבי.חדש משלבים עיצובים פנימיים המפיץ את השדה החשמלי באופן אפילו יותר, מדכאים את הפרידה הכלואליה ומונעים בפירוק מוקדם.

Void-Free Encapsulation ו-Vcuum Impregnation

וידים בנקודת הcapsulant - בין אם ג'ל הסיליקון, epoxy, או פוליאוריטאן - משמש אתרי ניונקיה עבור פריקות חלקיות. פיזור מודרני וריפוי תהליכים משתמשים באבקת אבק כדי להסיר micro-bubbles לפני החומר כוננים באופן ישיר קידודים.בנוסף, יצרנים מאמצים רטיניות נמוכות אשר זורמים בקלות לתוך סדקים הדוקים סביב שערים קדומים, כמו כוננים זרם נמוך של דחפים מתקדמים, כמו דחפים איטיים, כמו דחפים מתקדמים.

רובוסטנטיות מכנית ו-Commoning Environment

GTOs פרוסים במתח, כרייה, וסביבות ימיות חייבים לסבול רטט, הלם, לחות ואווירות קורוזיות.אריזות חידושים הופכות את המכשירים האלה עמידים יותר ללחץ מכני וסביבתי.

Reinforceed Enclosures and Shock-Absorbing Mounts

דיור פלסטיק מסורתי, בעוד עלות-יעילות, יכול סדק תחת רטט גבוה או השפעה. מודולים חדשים משתמשים תרכובות מורכבות אלומיניום או מסגרות פלדה אל-חלד המשלבות משקל קל עם כוח רב-קרקעי גבוה.עבור עיצובים של אריזה, יצרנים הציגו מערכות clamping מועת האביב עם דיסקים מעוקלים כי לשמור על לחץ קבוע על ערימות המוליכים למחצה לאורך טווח הטמפרטורה התפעולית כולו.

בנוסף, כמה משפחות מודול משלבות לחות אלסטומריים משולבים בין תת-קרקעי לבין בסיס לוח כדי לספוג זעזוע מכני.נתוני שדה מ מפעילי רכבת מראים כי עיצובים אלה להפחית את שכיחות השברים של חוטים וסדקים משותפים הנמכרים ביותר מ -60% ביישומים עתירי רטט גבוה.

Hermetic Sealing and Corrosion Protection

החדירה של החמצן היא מנגנון כשלון ידוע עבור מודולים כוח. Moisture יכול לגרום הגירה אלקטרוכימית של כסף או מתכת נחושת, המוביל מעגלים קצרים. חבילות GTO מתקדמות עכשיו תכונה החותמת hermetic - או באמצעות לייזר-מוגן מתכת או חתמי מתכת מגבת זכוכית-to-metal - המונעת התקפות אפילו בתנאים גבוהים (85 ° C55%) , 000 , 000 , 000 סיליקון, על בסיס סיליקון, 000 סיליקון, 000 סיליקון, הם פחות סיליקון, 000 מחסומים פנימיים פחות סיליקון).

יתרונות עצומים של GTO המודרנית

ההשפעה המצטברת של חידושים אלה של אריזה היא שיפור משמעותי בממדדי ביצועים מרכזיים. מעצבי המערכת מעריכים את מודולי GTO לפרויקטים חדשים יכולים לצפות:

  • (FLT:0) גידול טמפרטורת הצומת עולה 1FLT על ידי 15-25 מעלות צלזיוס, הודות אלN substrates ו TIM מתקדם.זה מעלה ישירות את שולי התרמית ומאפשר דירוגים הנוכחיים גבוהים יותר או תנורי חום קטנים יותר.
  • שיעור הכישלון של FLT:0 (Lower Fail rate) מעל 20 שנהFLT:1 של פעולה: בדיקות ההזדקנות מואצות מדגימות פרויקט ירידה של 50–70% בכישלונות אקראיים בהשוואה לעיצובים של בסיס בתחילת 2010.
  • (ב) ,0) ,הספקות של אופניים על אופניים כוח 1FLT: מודולים עם לוחות בסיס חזקים ו- capsulation ללא קיבולת, עכשיו הרבה יותר מ -100,000 מחזורי חשמל ב ⁇ TreaFLT:2jFLT 3=80 ° C, בעוד לפני עשור 30,000 מחזורים נחשבו טוב.
  • (ב) ,0) מתח פריצה חלקית של פריצה חלקית (FLT:1), המאפשר הפעלה אמינה במתחי שיא ללא צורך בנחנים חיצוניים או דרטינג.
  • (FLT:0)Imrovated סימבוליות מכנית של סיבולת 1FLT:1ua בבדיקות רטט (למשל, 5 גרם גורף 10-2000 הרץ) ללא כל השפלה בביצועים חשמליים לאחר השלמת הבדיקה.

מגמות מתפתחות: הגבול הבא ב- GTO Packaging

בעוד שהחידושים הנוכחיים כבר מספקים רווחים משמעותיים, המחקר ממשיך במספר חזיתות המבטיחות לשפר עוד יותר את האמינות ואת תוחלת החיים.

Direct Bonded Silicon Carbide (SiC) ומודולים היברידיים

מכשירי חשמל של קיפוד הסיליקון מציעים ביצועים גבוהים יותר, אבל האימוץ שלהם ביישומים GTO-class עדיין מתפתח. כמה יצרנים מפתחים מודולים היברידיים כי זוג שער SiC עם סי GTO קונבנציונלי כדי לשפר את ביצועי המעבר ולהפחית את דרישות האנרגיה שער. Packaging עבור היברידיות כאלה דורש אפילו ניהול תרמי יותר (כיוון SiC יכול לפעול מעל 200 מעלות צלזיוס) והתאמה זהירה של coefficients של התרחבות תרמית בין נספח מוקדם של חומרים מוקדמים לשימוש גבוה יותר.

תוספת של ייצור עבור חבילות מכס Geometries

הדפסה תלת מימדית של תת-שכבות קרמיקה ובסיס אלומיניום מאפשרת למעצבים ליצור ערוצי קירור, תכונות גוברות, ומבנים מתח שאינם אפשריים עם מכונאים קונבנציונליים.עבור חבילת התקשורת GTO, ייצור תוספים מאפשר ייצור של אלקטרודות נחושת חד פעמית עם חימום משולב, ביטול ההתנגדות התרמית של בסיס נפרד.

חבילות חכמות עם חיישנים Embedded

הדור הבא של מודולי GTO עשוי לכלול טמפרטורה, מתח, וחיישנים חלקיים ישירות לתוך החבילה. על ידי האכלה נתונים בזמן אמת למערכת ניטור, חיישנים אלה יכולים לחזות כישלונות מתחוללים לפני שהם מתרחשים, המאפשר תחזוקה מבוססת מצב במקום החלפת קבוע.חלק מהמודולים כבר כוללים חיישני טמפרטורה אופטיים מוטבעים בשקע, מתן משוב על טמפרטורות צומת עם פתרון שניות אם הם הופכים להיות יעיל יותר יעיל יותר יעיל כדי לשפר את מערכת ההפעלה באופן כללי, כדי לשפר את רמת לחץ באופן כללי, כדי לשפר את רמת תפקוד חשמלי.

מסקנה

GTO thyristors הם רחוק מיושנים; הם נשארים הכרחיים עבור יישומים בעלי הכוח הגבוה ביותר שבו IGBTs ו MOSFET אינם יכולים להתאים את המתח והטיפול הנוכחי.עם זאת, האמינות והארוכותיות של מכשירים אלה מוגדרים יותר ויותר לא על ידי סיליקון עצמו, אלא על ידי האריזה המקיף אותו.חדשנות בניהול תרמי - החלמות גבוהות לערוצי קירור - יש התנגדות מופחתת דרמטית ויכולת הפעלה מוגברת אפילו תחת לחץ חשמלי חזק יותר ויותר.

עבור מהנדסים המפרטים מוליכים למחצה כוח במתח, אנרגיה, יישומים תעשייתיים, הטכנולוגיה האריזה בתוך מודול GTO צריך להיות קריטריון בחירה עיקרי - לא לאחרת.החידושים המתוארים כאן מייצגים את המצב הנוכחי של האמנות, והם כבר מספקים שיפורים משמעותיים באמינות שדה. כמו מגמות מתפתחות כגון תכנון סיי C, ייצור, אריזה חכמה, הפער התיאורטי בין מגבלות למחצה ותפקוד אחד להמשיך את המגמות קריטי כדי להפעיל את המגמות זמן רב עוצמה גבוהה ביותר של מערכות זמן כדי להפעיל.