Hoe kunnen chip-integratie en WBG-technologieën de toekomst van vermogenselektronica transformeren?

De integratie van vermogenselektronica op chips met brede bandgap (WBG) halfgeleiders opent een nieuw tijdperk in de ontwikkeling van efficiëntere, compactere en krachtigere vermogensconverters. De mogelijkheid om gate drivers en sensoren direct op dezelfde monolithische WBG-chip te integreren als de vermogenschakelaar biedt ongekende voordelen. Hiermee kunnen extra verpakkingen en interfaces worden geëlimineerd, wat niet alleen de grootte en kosten reduceert, maar ook de betrouwbaarheid en responssnelheid van het systeem significant verbetert.

Toch gaat deze technische ambitie gepaard met aanzienlijke uitdagingen. De complexiteit van de systemen vraagt om integratie van multidisciplinaire kennis—van elektrische en materiaalkunde tot mechanische engineering. De samenwerking tussen deze disciplines is onmisbaar om oplossingen te ontwikkelen die geschikt zijn voor massaproductie en commerciële toepassingen. Dit vergt diepgaande doorbraken in systeemarchitecturen en materiaaltechnologieën, waarbij elk aspect, van thermisch beheer tot elektromagnetische compatibiliteit, naadloos moet worden afgestemd.

De druk op hoger onderwijs en onderzoeksinstellingen om ingenieurs en wetenschappers op te leiden die niet alleen gespecialiseerd zijn in hun vakgebied, maar ook in staat zijn over disciplines heen te denken en te opereren, neemt hierdoor toe. De toekomstige professionals moeten zich comfortabel voelen in deze complexe integraties en innovatieve ontwerpstrategieën om de mogelijkheden van WBG-apparaten volledig te benutten.

Daarnaast stelt de toepassing van WBG-materialen zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) de grenzen van wat mogelijk is binnen vermogenselektronica verder op scherp. Deze materialen kunnen hogere spanningen en frequenties aan dan traditionele siliciumapparaten, wat resulteert in apparaten die minder energie verliezen en sneller kunnen schakelen. Dit leidt tot een hogere vermogensdichtheid en efficiency, die cruciaal zijn voor toepassingen zoals elektrische voertuigen, duurzame energieomzetting en meer elektrische vliegtuigen.

Niet minder belangrijk is de noodzaak om complexe multi-fysische problemen te overwinnen, waaronder warmteafvoer, mechanische spanningen, en elektrische storingen. Deze uitdagingen zijn niet alleen materiaalkundig van aard, maar raken ook aan systeemontwerp en productietechnologieën. Alleen door de nauwe samenwerking tussen topwetenschappers en ingenieurs kan een robuuste, efficiënte en schaalbare productontwikkeling worden gerealiseerd.

Naast deze technologische vooruitgang is het voor de lezer van belang te begrijpen dat de toekomst van WBG vermogenselektronica niet louter draait om de individuele componenten, maar om de integratie en optimalisatie van het gehele systeem. Dit vereist niet alleen technologische kennis, maar ook een holistische blik op energie-efficiëntie, kosteneffectiviteit en duurzaamheidscriteria. Het vergt ook inzicht in hoe deze technologieën zich verhouden tot bredere trends in energiebeleid en industriële toepassingen.

Verder is het cruciaal te beseffen dat de adoptie van WBG-technologieën ook afhankelijk is van economische factoren en marktacceptatie. Hoewel technische voordelen duidelijk zijn, kunnen marktbarrières zoals productiekosten, betrouwbaarheid en het ontbreken van gevestigde normen de implementatie vertragen. Daarom is voortdurende samenwerking tussen onderzoeksinstellingen, industrie en beleidsmakers essentieel om een ecosysteem te creëren waarin deze technologieën kunnen floreren.

Hoe kan een 8-op-1 multi-resonante converter efficiëntie combineren met vermogensdichtheid?

De converter opereert dan in de zogeheten "fast-switching limit" (FSL), wat leidt tot een iets lagere uitgangsimpedantie en betere controleerbaarheid. Dit opent de deur naar het gebruik van Class-II keramische condensatoren, ondanks hun spannings- en temperatuurafhankelijke gedrag. Vooral bij gemiddelde tot hoge belasting blijft de efficiëntie hoog, aangezien de gereduceerde RMS-stroom door componenten de geleidingsverliezen aanzienlijk verlaagt.

Bij een conversieratio van 8-op-1 tonen vergelijkingen tussen verschillende topologieën (zoals MRD, CaSP, Fibonacci, serie-parallel en Dickson) de structurele afwegingen tussen componentenaantal en uitgangsimpedantie. De CaSP-converter – met zijn parallelle werking in fase 3 – behoudt een lage uitgangsimpedantie ondanks een hogere componententelling dan de MRD. Deze balans tussen verlies, controleerbaarheid en vermogensdichtheid maakt CaSP aantrekkelijk voor toepassingen met hoge stroom en beperkte ruimte, zoals in datacenters. De Dickson-topologie bereikt weliswaar een lagere impedantie, maar vereist condensatoren met hogere spanningsclassificatie, wat de vermogensdichtheid negatief beïnvloedt. Hierin toont CaSP zich superieur door een compromis te bieden tussen complexiteit en prestatie.

De hardwareprototypes bevestigen de theoretische verwachtingen. De gekozen schakelfrequentie van 50 kHz – net boven de resonantie van 40 kHz – werd geselecteerd op basis van optimale efficiëntie, ondanks het verlies van ZCS. Door siliconen FET’s van 40 V te gebruiken in plaats van lagere spanningscomponenten, kon men grotere spanningsrimpels aan en lagere capaciteitswaarden toepassen, wat de algehele vermogensdichtheid verhoogde. Tegelijkertijd werd ruimte gecreëerd voor spanningsheadroom bij hogere ingangsspanningen (tot 60 V), waarbij de schakelaars spanningen tot 22,5 V moeten blokkeren.

Bij 48 V ingangsspanning en 6 V uitgangsspanning werd een maximaal uitgangsvermogen van 400 W bereikt, met een piekefficiëntie van 98,1% en een volledige belastingsefficiëntie van 95,2%. Wanneer de ingangsspanning verhoogd werd tot 60 V en de uitgang tot 7,5 V, steeg het uitgangsvermogen tot 500 W en de vermogensdichtheid tot 2680 W/in³, met behoud van een volledige belastingsefficiëntie van 95,9%. De efficiëntieverbetering bij hogere ingangsspanning is te danken aan de lagere relatieve geleidingsverliezen bij een verhoogde uitgangsspanning.

Hoe kunnen WBG-apparaten de prestaties van hoogvermogenomvormers verbeteren?

De toepassing van Wide Band Gap (WBG) -apparaten in hoogvermogenomvormers biedt tal van voordelen, maar roept ook verschillende uitdagingen op die zorgvuldig overwogen moeten worden. Eén van de belangrijkste voordelen is de verminderde piek magnetiseringsstroom, wat resulteert in een kleinere omvang van de magnetische componenten. Desondanks blijven er aanzienlijke technische vraagstukken bestaan die aangepakt moeten worden, met name op het gebied van thermisch beheer en systeemontwerp.

Een van de voornaamste uitdagingen bij het gebruik van WBG-apparaten in hoogvermogenapplicaties is het thermisch beheer. Vanwege hun compacte formaat, zelfs met lage verliezen, kan de temperatuurstijging van het apparaat een zorg zijn. Veel commerciële WBG-apparaten zijn ontworpen met bovenkoeling, wat inderdaad innovatievere methoden voor thermisch beheer bevordert. Bijvoorbeeld, een koellichaam met drukpin, dat de koelcontacten aanstampt, is vrij effectief voor bovenkoeling. Echter, de drukpin vereist vaak een op maat gemaakte koellichaammaat en bevestiging. In geval van onderkoeling, indien het apparaat op het oppervlak wordt gemonteerd, moet de warmte door de printplaat naar de tegenoverliggende kant van het koellichaam gaan, wat een aanzienlijke thermische weerstand toevoegt. Als het apparaat door het gat wordt gemonteerd, wordt normaal gesproken thermisch interface-materiaal toegevoegd, wat de thermische weerstand verder verhoogt door de vereiste hoogspanningisolatie. Al met al blijft de koeling van WBG-apparaten een gebied dat verdere verbetering vereist.

Wat betreft de systeemontwerpoverwegingen blijkt uit figuur 5.20 dat, hoewel het gebruik van WBG-apparaten een megahertz schakelen mogelijk maakt voor het verkleinen van de magnetische componenten, de algehele grootte van de omvormer nog ruimte heeft voor verdere vermindering. Belangrijke componenten voor de verbetering van de vermogensdichtheid zijn onder andere de hoogspanningscondensatoren en de hoogspanningsisolatortransformator.

Hoogspanningscondensatoren zijn essentieel, omdat ze moeten worden gedimensioneerd om lagefrequente stroomripples aan te kunnen. Dit betekent dat de primaire ingangscapacitor (Cin) en de secundaire DC-linkcondensator (Cdc) veel ruimte in beslag nemen. Het gebruik van elektrolytische condensatoren met hoge vermogensdichtheid is problematisch vanwege hun beperkte levensduur, terwijl hoogspanningskeramische condensatoren niet beschikbaar zijn voor dergelijke toepassingen. Dit roept de dringende behoefte op voor condensatoren met een hogere vermogensdichtheid, die noodzakelijk zijn voor verdere miniaturisatie van hoogspanningssystemen.

Evenzo vereist de hoogspanningsisolatortransformator aanzienlijke aandacht. De frequentie van de LLC-omzetter, die wordt beschouwd als een "DC-transformator", stelt strenge eisen aan de transformer. De belangrijkste uitdaging is het handhaven van de vereiste isolatie boven het piekuitgangsspanningsniveau. De positionering van de transformator in het systeem vereist voldoende ruimte voor isolatie, en de beschikbare kernmaterialen voor hoge frequenties zijn beperkt in maat en variëteit. Ook de beschikbare litzdraad voor de transformatorwikkeling vormt een belemmering voor het opschalen van de vermogensniveaus.

Een ander belangrijk aspect van het systeemontwerp betreft de hoogspanningsisolatie voor de hulpelementen, zoals de auxilliary power supplies en sensoren. De primaire ingangs spanning levert weliswaar de benodigde laagspanning voor de stuurdrivers en controlecircuits, maar de secundaire hulpspanning moet geïsoleerd zijn van de primaire kant, met dezelfde isolatiewaarden als het hoofdvoedingscircuit. De ontwikkeling van deze isolatiecomponenten is een gebied dat veel aandacht vereist, aangezien er op dit moment geen off-the-shelf oplossingen beschikbaar zijn die aan de strenge eisen voldoen.

Tenslotte, de meting van de efficiëntie van een mediumspanningsomvormer, vooral bij converterefficiënties die de 99% benaderen, vormt een grote uitdaging. De modulare benadering van het CMLI-systeem maakt het mogelijk om de efficiëntie van afzonderlijke modules te meten, maar het meten van de algehele systeem efficiëntie is momenteel niet mogelijk met de beschikbare meetinstrumenten. De conventionele methoden, die gebruik maken van potentiële transformatoren en stroomtransformatoren, hebben niet voldoende bandbreedte en zijn gevoelig voor de hoge spanningssleutels die optreden door de parasitaire capaciteiten tussen de wikkelingen.

Het verbeteren van de efficiëntie van de metingen, evenals het ontwikkelen van geavanceerdere isolatietechnologieën en componenten, zijn kritische stappen voor de toekomst van WBG-apparaten in hoogvermogenomvormers.

Hoe presteert een AM-geproduceerde koelmof vergeleken met traditionele aluminium koudplaten in hoogvermogenmodules?

De simulaties waren nauwkeurig opgezet met een ongestructureerd netwerk, waarbij meshgroottes tot 1,35 miljoen elementen werden gehanteerd om een optimale balans te waarborgen tussen nauwkeurigheid en rekentijd. Thermische prestaties werden gemeten aan de hand van de maximale junctietemperatuur van SiC-apparaten, terwijl de hydraulische prestaties werden beoordeeld via de drukval over het koelmof. De koelvloeistof bestond uit een mengsel van water en ethyleenglycol (50/50 volumepercentage), wat typerend is voor toepassingen in automotive en off-road tractie-inverters.

De simulatie-resultaten werden geëxperimenteel gevalideerd met een prototype koelmof waarin een echte vermogensmodule werd geïntegreerd in plaats van een standaard verwarmingselement, waarmee een realistischer warmteverlies en warmteverspreiding werden gegarandeerd. De SiC-apparaten werden voorbereid door het voorzichtig verwijderen van de beschermende epoxylaag en het aanbrengen van een dunne zwarte verflaag om de emissiviteit voor infraroodmeting te optimaliseren. De temperatuurmetingen met infraroodcamera’s waren gekalibreerd met een nauwkeurigheid van ±2 °C.

De modules werden stevig bevestigd aan het AM-koelmof met behulp van een commercieel verkrijgbare Buna-N O-ring, zorgvuldig gesmeerd met siliconenkit om lekkage te voorkomen. Na een uitgebreide lekkagetest van 72 uur bij verhoogde druk en flow werd het systeem vrijgegeven voor thermisch-hydraulische metingen. Deze metingen toonden aan dat het AM-koelmof bij variërende doorstromingssnelheden (2 tot 8 LPM) vergelijkbare of betere thermische prestaties kon leveren dan de traditionele aluminium koudplaat, terwijl de hydraulische weerstand laag bleef.

De validatie van het model tegen experimentele data bevestigde de betrouwbaarheid van de simulaties om toekomstige ontwerpen met verschillende stromingskenmerken te voorspellen. Het gebruik van polymere materialen via AM biedt daarmee mogelijkheden voor complexe kanaalontwerpen, welke met traditionele fabricagetechnieken moeilijk realiseerbaar zijn, terwijl toch een hoge thermische geleidbaarheid en mechanische integriteit behouden blijven.

Belangrijk is dat de evaluatie van thermische systemen in vermogenselektronica niet alleen het maximaliseren van warmteafvoer betreft, maar ook de controle over drukverliezen en pompvermogen. De keuze van koelvloeistof, de configuratie van stromingskanalen, en de nauwkeurigheid van de simulatiemodellen zijn onmisbare elementen om een optimaal ontwerp te bereiken. Bovendien kan additive manufacturing complexe koelkanalen mogelijk maken die lokaal afgestemd zijn op hotspots, wat leidt tot een efficiënter gebruik van koelmiddel en een betere algehele systeemprestatie. Voor de lezer is het cruciaal te begrijpen dat experimentele validatie onontbeerlijk is om vertrouwen te hebben in de simulatieresultaten, vooral bij nieuwe materialen en productiemethoden. Tenslotte mag niet worden vergeten dat de integratie van de koelmof met de vermogensmodule – inclusief afdichtingen en montage – een grote invloed heeft op de betrouwbaarheid en duurzaamheid van het geheel.