APEC-Zusammenfassung: WBG und industrielle Energie im Rampenlicht

Die technischen Sitzungen auf der Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) spiegelten die wichtigsten Stromtrends in allen Branchen wider: die Forderung nach höherer Effizienz, verbessertem Wärmemanagement und Miniaturisierung. Diese Anforderungen werden branchenübergreifend gesehen – Automobil, Industrie, mobile Geräte, Rechenzentren und erneuerbare Energien.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wenden sich Leistungsdesigner an Halbleiter mit großer Bandlücke (WBG), die durch eine Reihe von WBG-Bauelementen hervorgehoben wurden, die auf der Messe vorgestellt wurden. WBG-Geräte, sowohl Siliziumkarbid (SiC) als auch Galliumnitrid (GaN), sind ein wachsendes Segment des Marktes für Leistungsgeräte. Diese Geräte bieten inhärente Vorteile gegenüber Silizium, einschließlich höherer Bandlücken und geringerer Leitungsverluste, finden Häuser in Elektrofahrzeugen (EVs), Telekommunikation und erneuerbaren Energien.

Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach Leistungsgeräten, die rauen Industrieumgebungen gerecht werden. Viele dieser Geräte sind darauf ausgerichtet, die Gesamteffizienz zu verbessern und den Platz auf der Platine zu reduzieren.

Hier ist eine Auswahl von Leistungsgeräten, die auf der APEC 2021 vorgestellt werden.

WBG-Geräte

SiC Technologie macht große Fortschritte bei Elektrofahrzeugen dank mehrerer Vorteile gegenüber Silizium, darunter besseres Schalten und verbesserte thermische Leistung, was sich in einem höheren Wirkungsgrad, einer höheren Leistungsdichte und einer kleineren Größe niederschlägt. Eines der neuesten SiC-Geräte für Elektrofahrzeuge kommt von ON Halbleiter. Das Unternehmen präsentierte mehrere SiC-Lösungen, einschließlich 650-V-SiC Mosfets und 1,200-V- und 900-V-N-Kanal-SiC-MOSFETs. Das Unternehmen veranstaltete auch mehrere Seminare zum Thema Off-Board-Laden von Elektrofahrzeugen.

Zwei von ON HalbleiterDie neuesten SiC-Produkte für Elektrofahrzeuge sind 1,200-V-SiC MOSFET Zweierpack-Module. Diese auf Planartechnologie basierenden Module können eine Spannung Bereich von 18–20 V. Die Geräte lassen sich einfach mit negativen Gate-Spannungen ansteuern, so das Unternehmen.

Entwickelt für EV-Ladestationsanwendungen und konfiguriert als Zweierpack-Halbbrücke, ist die NXH010P120MNF1 ist ein 10-mΩ-Gerät in einem F1-Gehäuse, während die NXH006P120MNF2 ist ein 6-mΩ-Gerät in einem F2-Gehäuse. Die Gehäuse verfügen über Einpressstifte und sind damit auch für industrielle Anwendungen geeignet.

Die SiC-MOSFET-Module verfügen außerdem über einen eingebetteten Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) zur Temperaturüberwachung. Neben dem Laden von Elektrofahrzeugen können diese Geräte in Solarwechselrichtern, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Energiespeichersystemen verwendet werden.

Während die SiC-Technologie auf den EV-Märkten Fortschritte macht, basieren viele der auf der APEC vorgestellten WBG-Geräte auf der GaN-Technologie. GaN-Bauelemente bieten gegenüber Silizium mehrere Vorteile, darunter eine geringere Größe, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Effizienz. Hier sind einige Beispiele von Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations und Texas Instruments.

EPC präsentierte seine neuesten GaN-basierten Feldeffekttransistoren (eGaN-FETs) und ICs für High-Power-Density-Computing, Automotive, Elektromobilität und Robotik. Das Unternehmen veranstaltete auch mehrere technische Sitzungen mit seinen eGaN-FETs und -ICs.

Zu den neuen Produkten zählen 48-V-Bus-Stromverteilungsprodukte wie die products EPC9137, ein 1.5-kW-Zweiphasen-48- bis 12-V-Bidirektional Konverter das mit 97 % Effizienz auf kleinstem Raum arbeitet. Der DC/DC-Wandler EPC9137 soll im Vergleich zu Silizium-MOSFET-Lösungen 3x schneller und über 35 % kleiner und leichter sein, mit mehr als 1.5 % höherer Effizienz.

EPC bietet außerdem eine skalierbare Demoplatine an, mit der zwei Wandler parallel geschaltet werden können, um 3 kW zu erreichen, oder drei Wandler parallel geschaltet werden können, um 4.5 kW zu erreichen. Das Board verfügt über vier EPC2206 100-V-eGaN-FETs und wird von einem gesteuert Modulen Dazu gehört der 33-Bit-Digitalcontroller Microchip dsPIC256CK503MP16.

EPC eGaN FETs können mit einer Effizienz von 97 % bei einer Schaltfrequenz von 250 kHz betrieben werden, was 800 W/Phase im Vergleich zu siliziumbasierten Lösungen ermöglicht, sagte EPC. Zudem sei es möglich, bei einem 3.5-kW-Umrichter die Phasenzahl von fünf auf vier zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz zu steigern, so das Unternehmen weiter.

Das Unternehmen kündigte außerdem die Erweiterung seines 80-V- und 200-V-eGaN-FET-Portfolios an. Dazu gehört die EPC2065 und EPC2054 eGaN-FETs.

GaN Systems präsentierte seine neuesten GaN-basierten Lösungen für eine Reihe von Anwendungen, von Ladegeräten für Mobiltelefone und Laptop-PCs bis hin zu Elektrofahrzeugen. Eine Lösung ist ein Referenzdesign für einen hochdichten, hocheffizienten 3-kW-LLC-Resonanzwandler auf GaN-Basis (GS-EVB-LLC-3KW-GS), die auf Anwendungen in Rechenzentren, Telekommunikation und industriellen Schaltnetzteilen (SMPS) ausgerichtet sind. Das LLC-Resonanzwandler-Design mit Vollbrücken, das die 650-V-E-Mode-Transistoren, übertrifft den 80 PLUS Titanium-Standard für Netzteile und erreicht eine hohe Leistungsdichte (AC/DC-Netzteil) über 100 W/in.³ und hohe Effizienz von mehr als 96%.

GaN Systems demonstrierte auch mehrere Verbraucherladegeräte, darunter die 100-W-Dual-USB-C-intelligentes PD-GaN-Ladegerät und Beispiele für hohe Effizienz GaN-basierter 65-W-QR und 65-W-Aktiv-Clamp-Flyback (ACF) Ladegeräte. Für die Automobilindustrie hob das Unternehmen seine 650-V-, 60-A-Transistoren in Automobilqualität, die die Anforderungen an hohe Leistung, geringe Verluste und hohe Zuverlässigkeit erfüllen.

Nexperia hob seine Leistungs-GaN-FET-Familie hervor, die sich auf die 650-V-Bauelemente konzentriert, zusammen mit seinem oberflächenmontierbaren CCPAK-Gehäuse. Einige der neuesten Neuheiten sind die zweite Generation 650-V-GaN-FET-Bauelementfamilie, die auf Server- und Telekommunikationsnetzteile ausgerichtet sind.

Die 650-V-GaN-FETs erfüllen 80 PLUS Titanium-Class-Netzteile (einphasige AC/DC- und DC/DC-Industrie-SMPS), die mit 2 kW bis 10 kW arbeiten, mit einem R_{DS (ein)} bis 35 mΩ (typisch). Sie können auch in Solarwechselrichtern und Servoantrieben im gleichen Leistungsbereich eingesetzt werden.

Die 650-V-H2-Leistungs-GaN-FETs, die in einem TO-247-Gehäuse untergebracht sind, liefern eine Schrumpfung der Chipgröße von 36 % bei einem gegebenen R_{DS (ein)} Wert für mehr Stabilität und Effizienz, sagte das Unternehmen. Darüber hinaus macht die Kaskodenkonfiguration komplizierte Treiber überflüssig, was die Markteinführungszeit verkürzt.

Nexperia bietet auch eine Reihe von GaN-FET-Bauelementen, die über die Hochspannungs-GaN-HEMT-H2-Technologie der nächsten Generation verfügen und auf Automobil-, 5G- und Rechenzentrumsanwendungen ausgerichtet sind. Die Geräte sind in Standard TO-247 und der firmeneigenen CCPAK-Oberflächenmontageverpackung mit Kupferclip untergebracht.

Power Integrations konzentrierte seine APEC-Sitzungen auf BLDC-Motortreiberlösungen, Designautomatisierungstools und PowiGaN-Geräte. Eines der neuesten Geräte der PowiGaN-Gerätefamilie ist das InnoSwitch4-CZ Flyback-Switcher-ICs mit GaN-Technologie, die auf eine neue Klasse ultrakompakter mobiler Ladegeräte abzielen.

Das InnoSwitch4-CZ Familie hochfrequenter, spannungsfrei schaltender Flyback-Switcher-ICs enthält einen 750-V-Primärschalter mit der PowiGaN-Technologie des Unternehmens und einen neuartigen Hochfrequenz-ACF-Controller, um eine neue Klasse ultrakompakter und hocheffizienter Ladegeräte für Telefone zu ermöglichen , Tablets und Laptops.

Die aktive Clamp-Kombination InnoSwitch4-CZ und ClampZero bietet einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % und behält im Vergleich zu älteren ACF-Ansätzen einen sehr hohen Wirkungsgrad bei Schwankungen der Netzspannung, Systemlast und Ausgangsspannung bei, so Power Integrations.

Neben mehreren technischen Sitzungen gehören zu den vorgestellten Produkten, die Texas Instruments Inc. auf der APEC vorgestellt hat, seine GaN-FETs. Im vergangenen November behauptete TI das erste Automobil GaN-FETs mit integriertem Treiber, Schutz und aktivem Energiemanagement für Automobil- und Industrieanwendungen. Ausbau seiner Hochspannungs-GaN-FET-Power-Management-Portfolio, die neuen 650-V und 600-V GaN-FETs liefern die doppelte Leistungsdichte und erreichen einen Wirkungsgrad von 99 % im Vergleich zu bestehenden Lösungen, so TI.

In Kombination mit den fortschrittlichen Steuerungsfunktionen der C2000-Echtzeit-Mikrocontroller, wie dem TMS320F2838x oder dem TMS320F28004x, kann der LMG3522R030-Q1 GaN FET ermöglicht Schaltfrequenzen über 1 MHz in Leistungswandlern, wodurch die Größe der Magnete im Vergleich zu bestehenden Silizium- und SiC-Lösungen um 59 % reduziert wird, sagte TI.

Mit einem schnell schaltenden, integrierten 2.2-MHz-Gate-Treiber, der GaN-FETs Integrieren Sie außerdem internen Schutz und Temperaturerfassung, was dazu beiträgt, den Platinenplatz in Power-Management-Designs zu reduzieren. Diese Integration, zusammen mit der hohen Leistungsdichte der proprietären GaN-Technologie von TI, ermöglicht es Ingenieuren, mehr als 10 Komponenten zu eliminieren, die normalerweise für diskrete Lösungen erforderlich sind, sagte TI. Darüber hinaus kann jeder der neuen 30-mΩ-FETs bis zu 4 kW Leistungsumwandlung unterstützen, wenn er in einer Halbbrückenkonfiguration verwendet wird.

TI sagte, dass die Automotive-GaN-FETs dazu beitragen können, die Größe von EV-On-Board-Ladegeräten und DC/DC-Wandlern im Vergleich zu bestehenden Silizium- oder SiC-Lösungen um bis zu 50 % zu reduzieren und EVs eine erweiterte Batteriereichweite, höhere Systemzuverlässigkeit und niedrigere Kosten zu bieten .

Für industrielle Anwendungen ermöglichen die neuen Bausteine ​​eine hohe Effizienz und Leistungsdichte in AC/DC-Stromversorgungsanwendungen, bei denen geringe Verluste und reduzierter Platz auf der Platine wichtig sind, so TI. Zu den Anwendungen gehören Hyperscale- und Enterprise-Computing-Plattformen sowie 5G-Telekommunikationsgleichrichter.

Industrielle Energie

Die Infineon Technologies AG präsentierte auf der diesjährigen APEC eine Vielzahl von Power-Management-Lösungen, die von Silizium- bis hin zu WBG-Geräten reichen und eine Reihe von Anwendungen abdecken, von Rechenzentren und Rechenzentren bis hin zu erneuerbaren Energien und E-Mobilität. Das Unternehmen hob auch seine Produktlinie für industrielle Leistungs- und Motorsteuerungen hervor.

Eines der Geräte, die Infineon vorgestellt hat, ist die neueste Ergänzung seiner EisFAHRER Produktportfolio, das 6EDL7141 dreiphasiger Gate-Treiber-IC für fortschrittliche Motorsteuerung in batteriebetriebenen Verbraucher- und Industrieanwendungen. Die programmierbare Lösung für fortschrittliche Motorsteuerungsanwendungen ist auf eine höhere Leistungsdichte und verbesserte Systemeffizienz ausgerichtet und in einem 48-Pin-VQFN mit einer Grundfläche von 7 × 7 mm² untergebracht. In Kombination mit Infineons Leistungs-MOSFETs, bieten die Geräte eine Komplettlösung.

Zu den Hauptmerkmalen des EiceDRIVER 6EDL7141 gehören eine SPI-Schnittstelle für die Konfiguration des Gate-Treiberausgangs, ein integriertes Netzteil und zwei Ladungspumpen zur Bereitstellung aller Systemfunktionen. Dank eines Betriebsspannungsbereichs von 5.5 bis 60 V und eines konfigurierbaren Ansteuerstroms bis 1.5 A kann das Gerät eine Vielzahl von MOSFETs ansteuern. Es bietet auch eine einstellbare Versorgungsspannungseinstellung des Gate-Treibers zwischen 7 V, 10 V, 12 V und 15 V.

Der integrierte Bock Regler erfordert nur eine externe Kondensator und Induktor um sowohl den Mikrocontroller als auch die Hall-Sensoren im Motor mit Strom zu versorgen, sagte Infineon, was den Platz auf der Platine und die Anzahl der erforderlichen externen Komponenten reduziert.

ON Semiconductor hat einige integrierte Leistungsmodule für industrielle Anwendungen auf den Markt gebracht. Die beiden Neuen integrierte Umrichter-Wechselrichter-Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Module sind für industrielle Motorantriebe, Servoantriebe und HLK ausgelegt, wo sie zum Antrieb von Motoren für Anwendungen wie Lüfter und Pumpen verwendet werden.

Das NXH50M65L4C2SG und NXH50M65L4C2ESG sind spritzgepresste leistungsintegrierte Module für robuste Industrieanwendungen mit hoher Ausgangsleistung.

Die NXH50M65L4C2SG und NXH50M65L4C2ESG, basierend auf einem Standard-Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Substrat bzw. ein Substrat mit verbessertem niedrigen thermischen Widerstand enthalten einen Wandler−Wechselrichter−PFC Schaltung bestehend aus einem einphasigen Wandler mit vier 75-A-1,600-V-Gleichrichtern. Der dreiphasige Wechselrichter (NXH50M65L4C2ESG) verwendet sechs 50-A-600-V-Wechselrichter IGBTs mit Inversdioden, und der zweikanalige verschachtelte PFC (NXH50M65L4C2SG) integriert zwei 75-A-, 650-V-PFC-IGBTs mit Inversdioden und zwei 50-A-, 650-V-PFC-Dioden. Zur Überwachung der Gerätetemperatur während des Betriebs ist ein NTC-Thermistor integriert.

Dank des vormontierten und optimierten Moduls sind parasitäre Elemente im Vergleich zu diskreten PCB-basierten Designs sehr klein, so ON Semiconductor, was einen weiten PFC-Schaltfrequenzbereich zwischen 18 kHz und 65 kHz ermöglicht.

ON Semiconductor behauptete auch den branchenweit ersten Totem-Pole-PFC-Controller für Offline-Stromversorgungen mit ultrahoher Dichte. Das NCP1680 Der Totem-Pole-PFC-Controller im kritischen Leitungsmodus verwendet eine neuartige Strombegrenzungsarchitektur und Netzphasenerkennung zusammen mit bewährten Regelalgorithmen.

Durch das Ersetzen von Gleichrichterbrückendioden durch Schalter in einer Totempfahl-Konfiguration und „Einschalten der Boost-PFC-Funktion“ kann der NCP1680 Brückenverluste reduzieren und den Gesamtwirkungsgrad verbessern, so das Unternehmen. Darüber hinaus kann der NCP1680 jeden Schaltertyp unterstützen, einschließlich Superjunction-Silizium-MOSFETs oder WBG-Schaltern wie SiC- oder GaN-Bauelementen.

Das integrierte Gerät kann in Stromversorgungsdesigns für Telekommunikation 5G, Industrie und Hochleistungsrechner verwendet werden, die mit einem Universalnetz (90–265 VAC) bei empfohlenen Leistungsstufen von bis zu 350 W betrieben werden. Als Beispiel mit einem 230-VAC Netzeingang erreichen PFC-Schaltungen auf Basis des NCP1680 einen Wirkungsgrad von nahezu 99 % bei 300 W.

TI präsentierte außerdem einen integrierten DC/DC-Controller, der leitungsgebundene Emissionen und die Größe der Stromversorgung in Automobil-, Industrie- und Kommunikationsanwendungen reduziert. Das Unternehmen behauptet, dies seien die ersten DC/DC-Controller mit integriertem aktivem EMI-Filter (AEF) die Ingenieure bei der Entwicklung kleinster Stromversorgungslösungen mit geringer elektromagnetischer Interferenz (EMI) unterstützen. Neben dem integrierten AEF enthält die neue Familie synchroner DC/DC-Abwärtsregler – der LM25149-Q1 und der LM25149 – Dual-Random-Spread-Spectrum-Technologie, die die EMI weiter mindert.

Es gibt ein paar Szenarien, in denen die neue LM25149-Q1 und LM25149 DC/DC-Controller helfen Energiedesignern. Die Geräte können entweder die Fläche des externen EMI-Filters halbieren und die leitungsgebundene EMI des Leistungsdesigns um bis zu 55 dBµV über mehrere Frequenzbänder senken oder eine Kombination aus reduzierter Filtergröße und geringer EMI erreichen, so TI.

Der integrierte AEF reduziert durch die Verringerung der Filterbelastung der passiven Elemente die Größe, das Volumen und die Kosten des passiven EMI-Filters und ermöglicht es Ingenieuren, das kleinstmögliche EMI-Leistungsdesign zu erreichen, sagte TI. Der integrierte AEF kann die Größe der EMI-Filter um bis zu 50 % in der Fläche und 75 % im Volumen reduzieren. Die Abwärtsregler verfügen außerdem über eine Frequenzsynchronisation zu einem externen Takt, was EMI weiter reduziert.

Weitere Merkmale, die zur Erhöhung der Leistungsdichte beitragen, sind der verschachtelte Zweiphasenbetrieb und die Integration der Bootstrap-Diode, der Schleifenkompensation und der Ausgangsspannungs-Rückkopplungskomponenten. TI stellte fest, dass Ingenieure die Möglichkeit haben, externes Feedback und Schleifenkompensation zu verwenden, um ihre Designs weiter zu optimieren.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, jetzt Teil von Maxime Integrated Products Inc., eingeführt vor der APEC und Referenzdesign für End-of-Arm-Werkzeuge für die Industrierobotik und den einachsigen Servocontroller/Treiber mit integrierter Bewegungssteuerung.

Das Open Source TMCM-1617-GRIP-REF Referenzdesign integriert hardwarebasierte feldorientierte Steuerung (FOC) und drei Kommunikationsanschlüsse, die industrielle EtherCAT-, IO-Link- oder RS-485-Kommunikation unterstützen. Das Referenzdesign bietet die industrietaugliche MAX22000 hochpräziser konfigurierbarer analoger Ein-/Ausgang und MAX14906 vierkanaliger digitaler Eingang/Ausgang zum Einstellen der verschiedenen Modi des Trinamic TMCM-1617 einachsiger Servotreiber.

Trinamic sagte, dass das Design die Größe der Robotergreifer um das Dreifache verkleinert und gleichzeitig die Entwicklungszeit dank der vollständig integrierten, intelligenten Hardwareplattform, die Motorsteuerungsalgorithmen sowie Protokollstapel bereitstellt, um die Hälfte reduziert. All diese Funktionen – hardwarebasiertes FOC, per Software konfigurierbare Ein-/Ausgänge und drei Kommunikationsprotokollstapel – passen in eine kompakte Lösungsgröße von 3 mm²².

über Efficient Power Conversion (EPC)GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorPower IntegrationsTexas InstrumentsTRINAMIC