تقرير APEC: WBG والطاقة الصناعية تسليط الضوء عليها

عكست الجلسات الفنية في مؤتمر ومعرض إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC 2021) اتجاهات الطاقة الرئيسية عبر الصناعات: الطلب على كفاءة أعلى ، وتحسين الإدارة الحرارية ، والتصغير. يتم عرض هذه المتطلبات عبر الصناعات - السيارات ، والأجهزة الصناعية ، والأجهزة المحمولة ، ومراكز البيانات ، والطاقة المتجددة.

لمواجهة هذه التحديات ، يتجه مصممو الطاقة إلى أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض (WBG) ، والتي تم تسليط الضوء عليها من خلال عدد من أجهزة WBG التي ظهرت في المعرض. تعد أجهزة WBG ، كلاً من كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) ، جزءًا متزايدًا من سوق أجهزة الطاقة. توفر هذه الأجهزة مزايا متأصلة على السيليكون ، بما في ذلك فجوات نطاق أعلى وخسائر أقل في التوصيل ، وإيجاد منازل في السيارات الكهربائية (EVs) ، والاتصالات ، والطاقة المتجددة.

في الوقت نفسه ، هناك طلب متزايد على أجهزة الطاقة التي تلبي البيئات الصناعية القاسية. تركز العديد من هذه الأجهزة على تحسين الكفاءة الكلية وتقليل مساحة اللوحة.

فيما يلي مجموعة مختارة من أجهزة الطاقة التي ظهرت في APEC 2021.

أجهزة WBG

كربيد التكنلوجيا تحقق شركة EV نجاحات كبيرة في السيارات الكهربائية بفضل العديد من المزايا التي تتفوق بها على السيليكون، بما في ذلك التبديل الأفضل والأداء الحراري المحسن، مما يترجم إلى كفاءة أعلى وكثافة طاقة أعلى وحجم أصغر. أحد أحدث أجهزة SiC للمركبات الكهربائية يأتي من ON أشباه الموصلات. عرضت الشركة عدة حلول SiC، بما في ذلك 650-V SiC الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة و 1,200،900-V و XNUMX-V N-channel SiC MOSFETs. استضافت الشركة أيضًا عدة ندوات حول شحن المركبات الكهربائية خارج المركبة.

اثنان من ON أشباه الموصلاتأحدث منتجات SiC التي تستهدف المركبات الكهربائية هي 1,200 فولت كربون MOSFET وحدات من مجموعتين. هذه الوحدات ، القائمة على تقنية المستوى ، يمكن أن تقود a الجهد االكهربى نطاق من 18-20 فولت. الأجهزة سهلة القيادة مع الفولتية السالبة للبوابة ، كما قالت الشركة.

تم تصميمه لتطبيقات محطات شحن المركبات الكهربائية وتم تكوينه كجسر نصف ثنائي الحزمة NXH010P120MNF1 هو جهاز 10 م 1 موجود في عبوة FXNUMX ، بينما NXH006P120MNF2 هو جهاز 6 م 2 في حزمة FXNUMX. تتميز العبوات بدبابيس قابلة للضغط ، مما يجعلها مناسبة أيضًا للتطبيقات الصناعية.

تتميز وحدات SiC MOSFET أيضًا بثرمستور ذو معامل درجة حرارة سالب (NTC) لمراقبة درجة الحرارة. بالإضافة إلى شحن المركبات الكهربائية ، يمكن استخدام هذه الأجهزة في محولات الطاقة الشمسية وإمدادات الطاقة غير المنقطعة وأنظمة تخزين الطاقة.

بينما تحرز تقنية SiC تقدمًا في أسواق السيارات الكهربائية ، فإن العديد من أجهزة WBG المعروضة في APEC تعتمد على تقنية GaN. تقدم أجهزة GaN العديد من الفوائد على السيليكون ، بما في ذلك الحجم الأصغر ، والتوصيل الحراري العالي ، والكفاءة العالية. فيما يلي بعض الأمثلة من تحويل الطاقة الفعال (EPC) وأنظمة GaN و Nexperia و Power Integrations و Texas Instruments.

عرضت EPC أحدث ترانزستورات التأثير الميداني المستندة إلى GaN (eGaN FETs) والدوائر المتكاملة للحوسبة عالية الكثافة ، والسيارات ، والتنقل الإلكتروني ، والروبوتات. استضافت الشركة أيضًا العديد من الجلسات الفنية التي تضمنت eGaN FETs و ICs.

تشمل المنتجات الجديدة منتجات توزيع طاقة الحافلات 48-V مثل EPC9137، مرحلتين 1.5 كيلو واط من 48 إلى 12 فولت ثنائي الاتجاه محول يعمل بكفاءة 97٪ في مساحة صغيرة جدًا. يقال إن محول EPC9137 DC / DC أسرع بثلاث مرات وأصغر بنسبة تزيد عن 3٪ وأخف وزناً مع كفاءة أعلى من 35٪ مقارنةً بحلول MOSFET السيليكونية.

تقدم EPC أيضًا لوحة تجريبية قابلة للتطوير تسمح بمحولين متوازيين لتحقيق 3 كيلووات أو ثلاثة محولات متوازية لتحقيق 4.5 كيلووات. تتميز اللوحة بأربعة EPC2206 100-V eGaN FETs ويتم التحكم فيها بواسطة وحدة يتضمن وحدة التحكم الرقمية Microchip dsPIC33CK256MP503 16 بت.

يمكن أن تعمل EPC eGaN FETs بكفاءة 97٪ بتردد تحويل 250 كيلو هرتز ، مما يتيح 800 واط / طور مقارنة بالحلول القائمة على السيليكون ، كما قال EPC. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن تقليل عدد المراحل من خمس إلى أربع مراحل لمحول بقدرة 3.5 كيلو وات مع زيادة الكفاءة ، كما أضافت الشركة.

كما أعلنت الشركة عن توسيع محفظتها eGaN FET 80-V و 200-V. وهذا يشمل EPC2065 و EPC2054 eGaN FETs.

قامت GaN Systems بعرض أحدث الحلول القائمة على GaN لمجموعة من التطبيقات ، من أجهزة شحن الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى المركبات الكهربائية. أحد الحلول هو تصميم مرجعي لمحول رنين GaN عالي الكثافة وعالي الكفاءة قائم على 3 كيلو واط LLC (ع-EVB-LLC-3KW-GS) ، واستهداف تطبيقات مراكز البيانات ، والاتصالات ، وإمدادات الطاقة الصناعية (SMPS). تصميم محول الرنين ذو الجسر الكامل LLC ، يدمج الشركة الترانزستورات ذات الوضع الإلكتروني بجهد 650 فولت، يتجاوز معيار 80 PLUS Titanium لوحدات إمداد الطاقة ، مما يحقق كثافة طاقة عالية (AC / DC PSU) أعلى من 100 وات / بوصة.³ وكفاءة عالية تزيد عن 96٪.

قدمت GaN Systems أيضًا عرضًا تجريبيًا للعديد من منتجات الشاحن الاستهلاكية ، بما في ذلك شاحن USB-C مزدوج ذكي بقدرة 100 واط وأمثلة عالية الكفاءة على أساس GaN 65-W QR و  65-W المشبك النشط flyback (ACF) شواحن. بالنسبة للسيارات ، سلطت الشركة الضوء على ترانزستورات من فئة 650-V و 60-A من فئة السيارات، والتي تلبي متطلبات الطاقة العالية ، والخسارة المنخفضة ، والموثوقية العالية.

سلطت Nexperia الضوء على عائلة GaN FET الخاصة بها ، مع التركيز على أجهزة 650-V ، إلى جانب عبوات CCPAK المثبتة على السطح. يتضمن عدد قليل من أحدث المنتجات الجديدة الجيل الثاني عائلة أجهزة GaN FET بقوة 650 فولت، تستهدف مزودات الطاقة للخادم والاتصالات.

تفي وحدات GaN FETs 650-V بإمدادات الطاقة من فئة 80 PLUS Titanium (أحادية الطور AC / DC و DC / DC SMPS الصناعية) التي تعمل من 2 كيلو وات إلى 10 كيلو وات ، مع R_{DS (تشغيل)} حتى 35 متر مكعب (بشكل نموذجي). يمكن استخدامها أيضًا في محولات الطاقة الشمسية ومحركات المؤازرة في نفس نطاق الطاقة.

توفر وحدات GaN FETs بقوة 650-V H2 ، الموجودة في عبوة TO-247 ، انكماشًا بنسبة 36 ٪ في حجم القالب لـ R_{DS (تشغيل)} قيمة من أجل استقرار وكفاءة أفضل ، قالت الشركة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكوين الكود المتلفز يلغي الحاجة إلى برامج تشغيل معقدة ، مما يؤدي إلى تسريع وقت الوصول إلى السوق.

تقدم Nexperia أيضًا مجموعة من أجهزة GaN FET التي تتميز بتقنية GaN HEMT H2 عالية الجهد من الجيل التالي ، والتي تستهدف تطبيقات السيارات و 5 G ومراكز البيانات. توجد الأجهزة في معيار TO-247 وتغليف CCPAK المملوك للشركة مع مشبك نحاسي.

ركزت Power Integrations جلسات APEC على حلول محرك BLDC وأدوات أتمتة التصميم وأجهزة PowiGaN. أحد أحدث الأجهزة في عائلة PowiGaN هو InnoSwitch4-CZ وحدات تبديل flyback بتقنية GaN ، تستهدف فئة جديدة من أجهزة الشحن المحمولة فائقة الصغر.

• InnoSwitch4-CZ عائلة من الدوائر المتكاملة لمحول flyback عالية التردد والجهد الصفري والتبديل تتضمن مفتاحًا أساسيًا بجهد 750 فولت باستخدام تقنية PowiGaN الخاصة بالشركة ووحدة تحكم جديدة عالية التردد ACF لتمكين فئة جديدة من أجهزة الشحن فائقة الصغر والفعالة للهواتف والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

توفر مجموعة المشبك النشط InnoSwitch4-CZ و ClampZero كفاءة تصل إلى 95٪ وتحافظ على كفاءة عالية جدًا عبر الاختلافات في جهد الخط وحمل النظام والجهد الناتج مقارنةً بأساليب ACF الأقدم ، وفقًا لما ذكرته تكامل الطاقة.

إلى جانب العديد من الجلسات الفنية ، من بين المنتجات المميزة التي أبرزتها شركة Texas Instruments Inc. في APEC هي GaN FETs. في نوفمبر الماضي ، حصلت TI على أول سيارة GaN FETs مع السائق والحماية وإدارة الطاقة النشطة لتطبيقات السيارات والصناعية. توسيع نطاق مجموعة إدارة طاقة GaN FET ذات الجهد العاليو 650-V الجديد و 600-V GaN FETs توفر ضعف كثافة الطاقة وتحقق كفاءة بنسبة 99٪ مقارنة بالحلول الحالية ، كما قال TI.

بالإضافة إلى ذلك ، عند دمجها مع ميزات التحكم المتقدمة في وحدات التحكم الدقيقة في الوقت الفعلي C2000 ، مثل TMS320F2838x أو TMS320F28004x ، فإن LMG3522R030-Q1 GaN FET تمكن من تبديل الترددات الأكبر من 1 ميجا هرتز في محولات الطاقة ، مما يقلل من حجم المغناطيس بنسبة 59٪ مقارنةً بالسيليكون الحالي وحلول SiC ، كما قال TI.

مع برنامج تشغيل بوابة متكامل سريع التبديل 2.2 ميجا هرتز ، فإن GaN FETs تدمج أيضًا الحماية الداخلية واستشعار درجة الحرارة ، مما يساعد على تقليل مساحة اللوحة في تصميمات إدارة الطاقة. هذا التكامل ، جنبًا إلى جنب مع كثافة الطاقة العالية لتقنية GaN الخاصة بـ TI ، تمكن المهندسين من التخلص من أكثر من 10 مكونات مطلوبة عادةً للحلول المنفصلة ، كما قال TI. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لكل من وحدات FET الجديدة التي يبلغ قطرها 30 مترًا أن تدعم ما يصل إلى 4 كيلو واط من تحويل الطاقة عند تطبيقها في تكوين نصف جسر.

قالت TI إن GaN FETs للسيارات يمكن أن تساعد في تقليل حجم أجهزة الشحن على متن السيارة ومحولات DC / DC بنسبة تصل إلى 50٪ مقارنةً بحلول السيليكون أو SiC الحالية ، مما يوفر للمركبات الكهربائية نطاق بطارية ممتد ، وزيادة موثوقية النظام ، وتكلفة أقل .

بالنسبة للتطبيقات الصناعية ، تتيح الأجهزة الجديدة كفاءة عالية وكثافة طاقة في تطبيقات توصيل طاقة التيار المتردد / التيار المستمر حيث تكون الخسائر المنخفضة والمساحة المنخفضة للوحة مهمة ، كما قال TI. تشمل التطبيقات منصات الحوسبة الفائقة والمشاريع بالإضافة إلى مقومات اتصالات 5G.

القوة الصناعية

عرضت Infineon Technologies AG مجموعة من حلول إدارة الطاقة في APEC هذا العام ، بدءًا من السيليكون إلى أجهزة WBG ، والتي تغطي مجموعة من التطبيقات من الحوسبة ومركز البيانات إلى الطاقة المتجددة والتنقل الإلكتروني. كما سلطت الشركة الضوء على خط إنتاج الطاقة الصناعية والتحكم في المحركات.

أحد الأجهزة التي قدمتها Infineon هو أحدث إضافة إلى ايس درايفر محفظة المنتجات 6EDL7141 برنامج تشغيل البوابة ثلاثي الطور IC للتحكم المتقدم في المحركات في التطبيقات الاستهلاكية والصناعية التي تعمل بالبطارية. بهدف توفير كثافة طاقة أعلى وكفاءة نظام محسّنة ، يتم حزم الحل القابل للبرمجة لتطبيقات التحكم في المحركات المتقدمة في VQFN 48 سنًا بمساحة 7 × 7 مم². عندما يقترن مع إنفينيون MOSFETs السلطة، تقدم الأجهزة حلاً كاملاً.

تشمل الميزات الرئيسية لـ EiceDRIVER 6EDL7141 واجهة SPI لتكوين خرج محرك البوابة ، ومصدر طاقة متكامل ، ومضخات مزدوجة الشحن لتوفير جميع وظائف النظام. بفضل نطاق جهد التشغيل من 5.5 إلى 60 فولت وتيار قيادة قابل للتكوين يصل إلى 1.5 أمبير ، يمكن للجهاز تشغيل مجموعة واسعة من وحدات MOSFET. كما أنه يوفر إعدادًا لجهد إمداد محرك البوابة القابل للضبط بين 7 فولت و 10 فولت و 12 فولت و 15 فولت.

باك المتكامل منظم يتطلب خارجيا فقط مكثف و مغو لتوفير الطاقة لكل من المتحكم الدقيق ومستشعرات Hall في المحرك ، كما قال Infineon ، مما يقلل من مساحة اللوحة وعدد المكونات الخارجية المطلوبة.

أطلقت ON Semiconductor بضع وحدات طاقة متكاملة للتطبيقات الصناعية. الاثنان الجديدان وحدات تصحيح معامل القدرة (PFC) المتكاملة ، والمحول العاكس تم تصميمها لمحركات المحركات الصناعية ومحركات المؤازرة و HVAC ، حيث يتم استخدامها لقيادة المحركات للتطبيقات بما في ذلك المراوح والمضخات.

• NXH50M65L4C2SG و  NXH50M65L4C2ESG عبارة عن وحدات متكاملة للطاقة مصبوبة بالتحويل تستهدف التطبيقات الصناعية الوعرة ذات طاقة الإخراج العالية.

NXH50M65L4C2SG و NXH50M65L4C2ESG ، استنادًا إلى أكسيد الألومنيوم القياسي (Al₂O₃) الركيزة والركيزة المحسنة المقاومة للحرارة المنخفضة ، على التوالي ، تحتوي على محول − عاكس − PFC الدارة الكهربائية يتكون من محول أحادي الطور مزود بأربعة مقومات 75 أمبير و1,600 فولت. يستخدم العاكس ثلاثي الطور (NXH50M65L4C2ESG) ستة 50 أمبير، 600 فولت IGBTمع الثنائيات العكسية، ويدمج PFC ثنائي القناة المشذر (NXH50M65L4C2SG) اثنين من IGBTs 75-A و650-V PFC مع الثنائيات العكسية واثنين من الثنائيات PFC 50-A و650-V. تم تضمين الثرمستور NTC للسماح بمراقبة درجة حرارة الجهاز أثناء التشغيل.

بفضل الوحدة المُجمَّعة مسبقًا والمُحسَّنة ، تكون العناصر الطفيلية صغيرة جدًا عند مقارنتها بالتصميمات المنفصلة القائمة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، كما قال ON Semiconductor ، مما يسمح بنطاق تردد تبديل PFC واسع بين 18 كيلو هرتز و 65 كيلو هرتز.

كما ادعت شركة ON Semiconductor أول وحدة تحكم PFC ذات قطب طوطم في الصناعة لإمدادات الطاقة عالية الكثافة غير المتصلة بالإنترنت. ال NCP1680 تستخدم وحدة التحكم PFC ذات التوصيل الحرج وضعًا طوطميًا معماريًا جديدًا للحد الحالي واكتشاف مرحلة الخط جنبًا إلى جنب مع خوارزميات تحكم مثبتة.

من خلال استبدال الثنائيات الجسر المعدل بمفاتيح في تكوين عمود الطوطم و "سحب وظيفة تعزيز PFC" ، يمكن أن يقلل NCP1680 من خسائر الجسر ويحسن الكفاءة الإجمالية ، كما قالت الشركة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يدعم NCP1680 أي نوع من المفاتيح ، بما في ذلك MOSFETs السيليكون فائقة الوصلة أو مفاتيح WBG مثل أجهزة SiC أو GaN.

يمكن استخدام الجهاز المتكامل في تصميمات إمداد الطاقة لحوسبة الاتصالات 5G والصناعية وعالية الأداء التي تعمل مع شبكة عالمية (90-265 فولت تيار متردد) بمستويات طاقة موصى بها تصل إلى 350 وات على سبيل المثال ، مع 230 فولت تيار متردد. المدخلات الرئيسية ، دوائر PFC القائمة على NCP1680 قادرة على تحقيق كفاءة تقترب من 99 ٪ عند 300 واط.

كما عرضت TI وحدة تحكم متكاملة DC / DC تعمل على تقليل الانبعاثات التي يتم إجراؤها وحجم مصدر الطاقة في تطبيقات السيارات والصناعية والاتصالات. تدعي الشركة أن هذه هي الأولى وحدات تحكم DC / DC مع مرشح EMI نشط متكامل (AEF) التي تساعد المهندسين على تصميم أصغر حلول إمدادات الطاقة مع انخفاض التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). بالإضافة إلى AEF المدمج ، تشتمل المجموعة الجديدة من وحدات التحكم المتزامنة DC / DC باك - LM25149-Q1 و LM25149 - على تقنية الطيف المنتشر العشوائي المزدوج ، مما يساعد بشكل أكبر على التخفيف من EMI.

هناك نوعان من السيناريوهات الجديدة التي LM25149-Q1 و  LM25149 تساعد وحدات التحكم DC / DC مصممي الطاقة. يمكن للأجهزة إما قطع مساحة مرشح EMI الخارجي إلى النصف وتقليل EMI الذي تم إجراؤه لتصميم الطاقة بما يصل إلى 55 ديسيبل فولت عبر نطاقات تردد متعددة أو تحقيق مزيج من حجم المرشح المنخفض و EMI المنخفض ، وفقًا لـ TI.

قال TI إن AEF المدمج ، من خلال تقليل عبء الترشيح على العناصر السلبية ، يقلل من حجم وحجم وتكلفة مرشح EMI السلبي ، مما يتيح للمهندسين تحقيق أصغر تصميم ممكن للطاقة المنخفضة EMI. يمكن أن يقلل AEF المدمج حجم مرشحات EMI بنسبة تصل إلى 50٪ في المنطقة و 75٪ في الحجم. تتميز وحدات التحكم باك أيضًا بمزامنة التردد مع ساعة خارجية ، مما يقلل من EMI.

تشمل الميزات الأخرى التي تساعد على زيادة كثافة الطاقة التشغيل ثنائي الطور المتشابك وتكامل الصمام الثنائي للتمهيد وتعويض الحلقة ومكونات التغذية المرتدة للجهد الناتج. لاحظت منظمة الشفافية الدولية أن المهندسين لديهم خيار استخدام التغذية المرتدة الخارجية وتعويض الحلقة لزيادة تحسين تصميماتهم.

شركة Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG ، أصبحت الآن جزءًا من حكمة شركة المنتجات المتكاملة ، التي تم طرحها قبل مؤتمر APEC و التصميم المرجعي لأدوات نهاية الذراع للروبوتات الصناعية وجهاز تحكم / سائق مؤازر أحادي المحور مع تحكم متكامل في الحركة.

المصدر المفتوح TMCM-1617-GRIP-REF يدمج التصميم المرجعي التحكم الميداني القائم على الأجهزة (FOC) وثلاثة منافذ اتصال ، مما يدعم اتصالات EtherCAT الصناعية أو IO-Link أو RS-485. يتميز التصميم المرجعي بدرجة صناعية مكسيم المتكاملة MAX22000 عالية الدقة شكلي الإدخال / الإخراج التناظري و MAX14906 إدخال / إخراج رقمي رباعي القنوات لضبط أوضاع Trinamic المتعددة TMCM-1617 محرك سيرفو أحادي المحور.

قال Trinamic أن التصميم يقلص حجم القابض الآلي بمقدار 3 × مع تقليل وقت التطوير إلى النصف ، وذلك بفضل النظام الأساسي للأجهزة المتكاملة والذكي الذي يوفر خوارزميات التحكم في المحرك بالإضافة إلى مجموعات البروتوكول. كل هذه الميزات - FOC المستندة إلى الأجهزة ، والمدخلات / المخرجات القابلة للتكوين بالبرمجيات ، وثلاث مجموعات من بروتوكولات الاتصال - تتناسب مع حجم حل مضغوط يبلغ 4,197 ملم².

حول كفاءة تحويل الطاقة (EPC) GaN Systems Inc.