Application of the embedded component technology in highly compact inverters

Abstract

O setor de energia renovável testemunha um crescimento contínuo desde o começo do século, especialmente o ramo fotovoltaico (PV). Paralelamente ao crescimento em capacidade instalada, há também os avanços em pesquisa e desenvolvimento na área. A questão mais preocupante com os módulos PV é sua baixa eficiência, apenas entre 14% e 18%. Logo, deve haver desenvolvimento de novas tecnologias para elevar a eficiência dos sistemas. Um dos componentes chave em instalações fotovoltaicas são os sistemas de eletrônica de potência (conversores CC-CC e CC-CA), portanto, a eficiência de tais equipamentos deve ser a maior possível. Nesse sentido o microinversor HiGaN foi desenvolvido no Fraunhofer ISE. Esse protótipo atingiu alta eficiência com uma alta compacidade e avaliou o uso de transistores GaN nessa aplicação. Entretanto, de modo a ser ainda mais competitivo, o volume e o peso podem ser reduzidos. Uma estratégia compatível para atingir redução de tamanho é o uso da tecnologia de componentes embarcados (TCE), que é uma técnica de fabricação de placas de circuito impresso (PCI) em que os componentes são integrados dentro do substrato. Esse trabalho traz uma revisão e a formação de uma base de dados sobre a TCE e sua aplicação em uma tentativa de reduzir o tamanho da placa mãe do microinversor HiGaN. Uma metodologia de design é desenvolvida e aplicada e cinco novas versões da placa mãe são projetadas, além de cinco diferentes sub módulos. Os projetos são comparados com suas versões originais e uma análise econômica é feita em torno de ofertas enviadas por fabricantes. Simulações térmicas de transistores GaN embarcados foram conduzidas para avaliar outras capacidades da TCE e fornecer um ponto de vista mais amplo sobre a tecnologia. Os resultados indicam que foi possível atingir uma redução em área de no máximo 27.1% em uma das versões da placa mãe. Um dos sub módulos projetados atingiu uma redução em área de 65% confirmando que a TCE permite reduções mais substanciais em placas de baixa potência. Os resultados das simulações térmicas demostraram que a TCE pode ser uma ferramenta útil para melhorar o comportamento térmico de componentes ativos de potência. O trabalho mostra que o desenvolvimento da tecnologia deve ser continuado e devem existir mais aplicações em eletrônica de potência usando substratos orgânicos, de modo a explorar todas as facetas da tecnologia.

The renewable energy sector witness continuous growth since the start of the century, specially the photovoltaic (PV) branch. Parallel to the growth in installed capacity there is also advances in research and development in this area. The most significant issue with PV modules is the low efficiency, only between 14% and 18%. Therefore, there must be development of new technologies to increase the systems' efficiency. One of the key components in the PV systems is the power electronic systems (DC-DC and DC-AC converters) therefore the efficiency of such devices must be the highest possible. In this sense the HiGaN microinverter was developed at the Fraunhofer ISE. This prototype achieved very high efficiency with a compact form factor and evaluated the use of GaN transistors in this application. However, in order to be even more competitive the volume and weight can be further reduced. A suitable strategy to achieve size reduction is using the embedded component technology (ECT), which is a printed circuit board (PCB) manufacturing technique where the components are integrated inside the substrate. This work brings an overview and a database formation on the ECT and the application of the technology in an attempt to reduce the HiGaN microinverter motherboard size. A design methodology is developed and applied and five new versions of the motherboard are designed alongside five new submodules. The designs are compared with their original versions and an economic analysis is made around offers provided by manufacturers. Although none of the designs are realized, thermal simulations of embedded GaN transistors are performed to evaluate other capabilities of the ECT and provide a wider look into the technology. The results indicate that it was possible to achieve a maximum size reduction of 27.1% on one of the motherboard designs. One of the microcontroller modules designed achieved 65% of area reduction confirming that the ECT allows for more substantial size reduction when applied in low power boards. The thermal simulations demonstrated that the ECT can be a useful tool to improve thermal behavior of power active components. This work shows that the technology development must be continued and there must be more applications of the ECT in power electronics using organic substrates in order to explore all the facets of the technology.