Las sesiones técnicas de la Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) reflejaron las tendencias energéticas clave en todas las industrias: la demanda de mayor eficiencia, mejor gestión térmica y miniaturización. Estos requisitos se observan en todas las industrias: automotriz, industrial, dispositivos móviles, centros de datos y energía renovable.
Para enfrentar estos desafíos, los diseñadores de energía están recurriendo a semiconductores de banda ancha (WBG), que fueron destacados por una serie de dispositivos WBG presentados en la feria. Los dispositivos WBG, tanto de carburo de silicio (SiC) como de nitruro de galio (GaN), son un segmento en crecimiento del mercado de dispositivos de potencia. Estos dispositivos ofrecen ventajas inherentes sobre el silicio, incluidas bandas prohibidas más altas y pérdidas de conducción más bajas, encontrando hogares en vehículos eléctricos (EV), telecomunicaciones y energía renovable.
Al mismo tiempo, existe una creciente demanda de dispositivos eléctricos que se adapten a entornos industriales hostiles. Muchos de estos dispositivos se centran en mejorar la eficiencia general y reducir el espacio en la placa.
Aquí hay una selección de dispositivos de energía presentados en APEC 2021.
Dispositivos WBG
SiC la tecnología está haciendo grandes avances en los vehículos eléctricos gracias a varias ventajas sobre el silicio, incluida una mejor conmutación y un mejor rendimiento térmico, lo que se traduce en una mayor eficiencia, una mayor densidad de potencia y un tamaño más pequeño. Uno de los dispositivos de SiC más novedosos para vehículos eléctricos llega de la mano de ON Semiconductores. La empresa mostró varios Soluciones SiC, incluido SiC de 650 V mosfets y MOSFET de SiC de canal N de 1,200 V y 900 V. La compañía también organizó varios seminarios sobre la carga de vehículos eléctricos externos.
Dos de ON SemiconductoresLos últimos productos de SiC dirigidos a vehículos eléctricos son SiC de 1,200 V mosfet módulos de dos paquetes. Estos módulos, basados en tecnología plana, pueden impulsar un voltaje rango de 18-20 V. Los dispositivos son fáciles de manejar con voltajes de puerta negativos, dijo la compañía.
SiC de 1,200 V de ON Semiconductor MOSFET Módulos para cargar vehículos eléctricos. (Fuente: ON Semiconductor)
Diseñado para aplicaciones de estaciones de carga de vehículos eléctricos y configurado como medio puente de dos paquetes, el NXH010P120MNF1 es un dispositivo de 10 mΩ alojado en un paquete F1, mientras que el NXH006P120MNF2 es un dispositivo de 6 mΩ en un paquete F2. Los paquetes cuentan con pasadores de ajuste a presión, lo que los hace también adecuados para aplicaciones industriales.
Los módulos SiC MOSFET también cuentan con un termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) integrado para el control de la temperatura. Además de la carga de vehículos eléctricos, estos dispositivos se pueden utilizar en inversores solares, sistemas de alimentación ininterrumpida y sistemas de almacenamiento de energía.
Si bien la tecnología SiC está avanzando en los mercados de vehículos eléctricos, muchos de los dispositivos WBG presentados en APEC se basan en la tecnología GaN. Los dispositivos de GaN ofrecen varios beneficios sobre el silicio, incluido un tamaño más pequeño, una conductividad térmica más alta y una alta eficiencia. Aquí hay algunos ejemplos de Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations y Texas Instruments.
EPC presentó sus últimos transistores de efecto de campo basados en GaN en modo de mejora (eGaN FET) y circuitos integrados para informática de alta densidad de potencia, automoción, movilidad eléctrica y robótica. La compañía también organizó varias sesiones técnicas con sus FET e IC de eGaN.
Los nuevos productos incluyen productos de distribución de energía de bus de 48 V, como el EPC9137, un bidireccional de 1.5 a 48 V bifásico de 12 kW convertidor que opera con un 97% de eficiencia en un espacio muy pequeño. Se dice que el convertidor CC / CC EPC9137 es 3 veces más rápido y más de un 35% más pequeño y liviano con una eficiencia superior al 1.5% más alta en comparación con las soluciones MOSFET de silicio.
EPC también ofrece una placa de demostración escalable que permite conectar dos convertidores en paralelo para lograr 3 kW o tres convertidores en paralelo para lograr 4.5 kW. La placa cuenta con cuatro FET eGaN EPC2206 de 100 V y está controlada por un módulo que incluye el controlador digital Microchip dsPIC33CK256MP503 de 16 bits.
Los FET de EPC eGaN pueden operar con una eficiencia del 97% a una frecuencia de conmutación de 250 kHz, lo que permite 800 W / fase en comparación con las soluciones basadas en silicio, dijo EPC. Además, es posible reducir el número de fases de cinco a cuatro para un convertidor de 3.5 kW al tiempo que aumenta la eficiencia, añadió la empresa.
La compañía también anunció la expansión de su cartera de FET eGaN de 80-V y 200-V. Esto incluye el EPC2065 y EPC2054 eGaN FET.
GaN Systems hizo una demostración de sus soluciones basadas en GaN más recientes para una variedad de aplicaciones, desde cargadores de teléfonos móviles y computadoras portátiles hasta vehículos eléctricos. Una solución es un diseño de referencia para un convertidor resonante LLC de 3 kW basado en GaN de alta densidad y alta eficiencia (GS-EVB-LLC-3KW-GS), dirigido a aplicaciones de centro de datos, telecomunicaciones y suministro de energía en modo de conmutación industrial (SMPS). El diseño de convertidor resonante LLC de puente completo, que integra el Transistores de modo e de 650 V, supera el estándar 80 PLUS Titanium para unidades de fuente de alimentación, logrando una alta densidad de potencia (PSU CA / CC) por encima de 100 W / pulg.3 y alta eficiencia de más del 96%.
GaN Systems también hizo una demostración de varios productos de carga para el consumidor, incluido el Cargador PD GaN inteligente con doble USB-C de 100 W y ejemplos de alta eficiencia QR de 65 W basado en GaN y Flyback activo de abrazadera de 65 W (ACF) cargadores. En automoción, la empresa destacó su transistores de 650 V, 60 A de grado automotriz, que cumplen con los requisitos de alta potencia, baja pérdida y alta confiabilidad.
Nexperia destacó su familia de potencia GaN FET, centrándose en los dispositivos de 650 V, junto con su embalaje de montaje en superficie CCPAK. Algunos de los últimos productos nuevos incluyen su segunda generación Familia de dispositivos GaN FET de 650 V de potencia, apuntando a fuentes de alimentación para servidores y telecomunicaciones.
Los FET de 650 V GaN cumplen con las fuentes de alimentación de clase titanio 80 PLUS (SMPS industriales monofásicas de CA / CC y CC / CC) que operan de 2 kW a 10 kW, con un RDS (activado) hasta 35 mΩ (típico). También se pueden utilizar en inversores solares y servoaccionamientos en el mismo rango de potencia.
Los FET de GaN de potencia H650 de 2 V, alojados en un empaque TO-247, ofrecen una contracción del 36% en el tamaño de la matriz para un R dadoDS (activado) valor para una mejor estabilidad y eficiencia, dijo la empresa. Además, la configuración de cascodo elimina la necesidad de controladores complicados, lo que acelera el tiempo de comercialización.
Nexperia también ofrece un rango de dispositivos GaN FET que cuentan con su tecnología GaN HEMT H2 de alto voltaje de próxima generación, dirigida a aplicaciones automotrices, 5G y de centros de datos. Los dispositivos están alojados en el estándar TO-247 y en el embalaje de montaje en superficie CCPAK patentado de la empresa con un clip de cobre.
Circuitos integrados de conmutador flyback InnoSwitch4-CZ de Power Integrations con tecnología GaN (Fuente: Power Integrations)
Power Integrations centró sus sesiones APEC en soluciones de controladores de motor BLDC, herramientas de automatización de diseño y dispositivos PowiGaN. Uno de los más nuevos de la familia de dispositivos PowiGaN es el InnoSwitch4-CZ Circuitos integrados de conmutación flyback con tecnología GaN, destinados a una nueva clase de dispositivos de carga móviles ultracompactos.
El InnoSwitch4-CZ La familia de circuitos integrados de conmutación flyback de conmutación de voltaje cero y alta frecuencia incorpora un interruptor primario de 750 V que utiliza la tecnología PowiGaN de la compañía y un novedoso controlador ACF de alta frecuencia para habilitar una nueva clase de cargadores ultracompactos y ultraeficientes para teléfonos , tabletas y computadoras portátiles.
El combo de abrazadera activa InnoSwitch4-CZ y ClampZero proporciona hasta un 95% de eficiencia y mantiene una eficiencia muy alta en las variaciones de voltaje de línea, carga del sistema y voltaje de salida en comparación con los enfoques ACF más antiguos, dijo Power Integrations.
Junto con varias sesiones técnicas, entre los productos destacados que Texas Instruments Inc. destacó en APEC se encuentran sus GaN FET. En noviembre pasado, TI reclamó el primer automóvil FET de GaN con controlador integrado, protección y administración de energía activa para aplicaciones automotrices e industriales. Ampliando su Cartera de gestión de energía GaN FET de alto voltaje, el nuevo 650-V y 600-V FET de GaN entregan el doble de densidad de potencia y alcanzan un 99% de eficiencia en comparación con las soluciones existentes, dijo TI.
Además, cuando se combina con las funciones de control avanzadas de los microcontroladores en tiempo real C2000, como el TMS320F2838x o el TMS320F28004x, el LMG3522R030-Q1 GaN FET permite conmutar frecuencias superiores a 1 MHz en convertidores de potencia, reduciendo el tamaño del magnetismo en un 59% en comparación con las soluciones de silicio y SiC existentes, dijo TI.
Con un controlador de puerta integrado de 2.2 MHz de conmutación rápida, FET de GaN también integra protección interna y detección de temperatura, lo que ayuda a reducir el espacio en la placa en los diseños de administración de energía. Esta integración, junto con la alta densidad de potencia de la tecnología GaN patentada de TI, permite a los ingenieros eliminar más de 10 componentes que normalmente se requieren para soluciones discretas, dijo TI. Además, cada uno de los nuevos FET de 30 mΩ puede admitir hasta 4 kW de conversión de energía cuando se aplica en una configuración de medio puente.
TI dijo que los FET de GaN automotrices pueden ayudar a reducir el tamaño de los cargadores a bordo de vehículos eléctricos y los convertidores CC / CC hasta en un 50% en comparación con las soluciones de silicio o SiC existentes, ofreciendo a los vehículos eléctricos un rango de batería extendido, mayor confiabilidad del sistema y menor costo. .
Para aplicaciones industriales, los nuevos dispositivos permiten una alta eficiencia y densidad de potencia en aplicaciones de suministro de energía de CA / CC en las que las pérdidas bajas y el espacio reducido en la placa son importantes, dijo TI. Las aplicaciones incluyen plataformas informáticas empresariales y de hiperescala, así como rectificadores de telecomunicaciones 5G.
Poder industrial
Infineon Technologies AG presentó una gran cantidad de soluciones de administración de energía en APEC este año, que van desde dispositivos de silicio a WBG, cubriendo una gama de aplicaciones desde computación y centro de datos hasta energía renovable y movilidad eléctrica. La compañía también destacó su línea de productos de control de motores y potencia industrial.
6EDL7141 de Infineon Tres fases conductor de la puerta IC para control avanzado de motores en aplicaciones industriales y de consumo alimentadas por batería (Fuente: Infineon)
Uno de los dispositivos que presentó Infineon es la última incorporación a su EiceCONDUCTOR cartera de productos, la 6EDL7141 IC controlador de compuerta trifásico para control avanzado de motores en aplicaciones industriales y de consumo alimentadas por baterías. Con el objetivo de brindar una mayor densidad de potencia y una mayor eficiencia del sistema, la solución programable para aplicaciones avanzadas de control de motores está empaquetada en un VQFN de 48 pines con una huella de 7 × 7 mm². Cuando se combina con Infineon MOSFET de potencia, los dispositivos ofrecen una solución completa.
Las características clave del EiceDRIVER 6EDL7141 incluyen una interfaz SPI para la configuración de salida del controlador de compuerta, una fuente de alimentación integrada y bombas de carga dual para suministrar todas las funciones del sistema. Gracias a un rango de voltaje de funcionamiento de 5.5 a 60 V y una corriente de conducción configurable de hasta 1.5 A, el dispositivo puede controlar una amplia gama de MOSFET. También ofrece una configuración de voltaje de suministro de controlador de puerta ajustable entre 7 V, 10 V, 12 V y 15 V.
El dólar integrado organismo regulador requiere sólo un externo condensador y Inductor para proporcionar energía tanto para el microcontrolador como para los sensores Hall en el motor, dijo Infineon, lo que reduce el espacio en la placa y la cantidad de componentes externos requeridos.
ON Semiconductor lanzó un par de módulos de potencia integrados para aplicaciones industriales. Los dos nuevos Módulos integrados de corrección del factor de potencia (PFC) convertidor-inversor están diseñados para accionamientos de motores industriales, servoaccionamientos y HVAC, donde se utilizan para impulsar motores para aplicaciones que incluyen ventiladores y bombas.
El NXH50M65L4C2SG y NXH50M65L4C2ESG son módulos integrados de potencia moldeados por transferencia que apuntan a aplicaciones industriales resistentes con alta potencia de salida.
El NXH50M65L4C2SG y NXH50M65L4C2ESG, basado en un óxido de aluminio estándar (Al2O3) sustrato y un sustrato mejorado de baja resistencia térmica, respectivamente, contienen un convertidor-inversor-PFC circuito compuesto por un convertidor monofásico con cuatro rectificadores de 75 A y 1,600 V. El inversor trifásico (NXH50M65L4C2ESG) utiliza seis 50 A, 600 V. IGBTs con diodos inversos, y el PFC entrelazado de doble canal (NXH50M65L4C2SG) integra dos IGBT PFC de 75 A y 650 V con diodos inversos y dos diodos PFC de 50 A y 650 V. Se incorpora un termistor NTC para permitir el monitoreo de la temperatura del dispositivo durante el funcionamiento.
Gracias al módulo premontado y optimizado, los elementos parásitos son muy pequeños en comparación con los diseños discretos basados en PCB, dijo ON Semiconductor, lo que permite un amplio rango de frecuencia de conmutación PFC entre 18 kHz y 65 kHz.
Controlador PFC de tótem NCP1680 de ON Semiconductor para fuentes de alimentación fuera de línea de densidad ultra alta (Fuente: ON Semiconductor)
ON Semiconductor también reclamó el primer controlador PFC de tótem de la industria para fuentes de alimentación fuera de línea de densidad ultra alta. La NCP1680 El controlador PFC tótem de modo de conducción crítica utiliza una nueva arquitectura de límite de corriente y detección de fase de línea junto con algoritmos de control probados.
Al reemplazar los diodos del puente rectificador con interruptores en una configuración de tótem y "activar la función PFC de refuerzo", el NCP1680 puede reducir las pérdidas del puente y mejorar la eficiencia general, dijo la compañía. Además, el NCP1680 puede admitir cualquier tipo de conmutador, incluidos los MOSFET de silicio de superjunción o conmutadores WBG como los dispositivos SiC o GaN.
El dispositivo integrado se puede utilizar en diseños de fuentes de alimentación para telecomunicaciones 5G, informática industrial y de alto rendimiento que operan con red eléctrica universal (90-265 VCA) a niveles de potencia recomendados de hasta 350 W. Como ejemplo, con una red de 230 VCA entrada de red, los circuitos PFC basados en el NCP1680 son capaces de alcanzar una eficiencia cercana al 99% a 300 W.
TI también mostró un controlador CC / CC integrado que reduce las emisiones conducidas y el tamaño de la fuente de alimentación en aplicaciones automotrices, industriales y de comunicaciones. La empresa afirma que estos son los primeros Controladores CC / CC con filtro EMI activo integrado (AEF) que ayudan a los ingenieros a diseñar las soluciones de suministro de energía más pequeñas con baja interferencia electromagnética (EMI). Además del AEF integrado, la nueva familia de controladores reductores de CC / CC síncronos, LM25149-Q1 y LM25149, incorporan tecnología de espectro ensanchado aleatorio dual, que ayuda a mitigar aún más las EMI.
Controladores de CC / CC LM25149 de TI con AEF integrado (Fuente: Texas Instruments)
Hay un par de escenarios por los cuales el nuevo LM25149-Q1 y LM25149 Los controladores CC / CC ayudan a los diseñadores de energía. Los dispositivos pueden cortar el área del filtro EMI externo a la mitad y reducir la EMI conducida del diseño de energía hasta en 55 dBµV en múltiples bandas de frecuencia o lograr una combinación de tamaño de filtro reducido y EMI baja, según TI.
El AEF integrado, al disminuir la carga de filtrado en los elementos pasivos, reduce el tamaño, el volumen y el costo del filtro EMI pasivo, lo que permite a los ingenieros lograr el diseño de potencia de bajo EMI más pequeño posible, dijo TI. El AEF integrado puede reducir el tamaño de los filtros EMI hasta en un 50% en área y en un 75% en volumen. Los controladores reductores también cuentan con sincronización de frecuencia con un reloj externo, lo que reduce aún más la EMI.
Otras características que ayudan a aumentar la densidad de potencia incluyen la operación de doble fase intercalada y la integración del diodo de arranque, la compensación de bucle y los componentes de retroalimentación de voltaje de salida. TI señaló que los ingenieros tienen la opción de utilizar retroalimentación externa y compensación de bucle para optimizar aún más sus diseños.
Diseño de referencia de herramientas de fin de brazo de Trinamic para robótica industrial (Fuente: Trinamic)
Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, ahora parte de Máxima Integrated Products Inc., introdujo antes de APEC un diseño de referencia de herramientas de fin de brazo para robótica industrial y el servocontrolador / controlador de un eje con control de movimiento integrado.
El código abierto TMCM-1617-GRIP-REF El diseño de referencia integra control orientado al campo (FOC) basado en hardware y tres puertos de comunicación, que admiten la comunicación industrial EtherCAT, IO-Link o RS-485. El diseño de referencia presenta el grado industrial de Maxim Integrated MAX22000 entrada / salida analógica configurable de alta precisión y MAX14906 Entrada / salida digital de cuatro canales para ajustar los múltiples modos del Trinamic TMCM-1617 servocontrolador de eje único.
Trinamic dijo que el diseño reduce el tamaño de las pinzas robóticas en 3 veces al tiempo que reduce el tiempo de desarrollo a la mitad, gracias a la plataforma de hardware inteligente totalmente integrada que proporciona algoritmos de control de motores, así como pilas de protocolos. Todas estas características (FOC basado en hardware, entradas / salidas configurables por software y tres pilas de protocolos de comunicación) encajan en un tamaño de solución compacto que mide 4,197 mm2.
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