Résumé de l'APEC : le WBG et la puissance industrielle mis en lumière

Les sessions techniques de la conférence et exposition sur l'électronique de puissance appliquée (APEC 2021) ont reflété les principales tendances de l'alimentation dans les industries : la demande d'une efficacité accrue, d'une gestion thermique améliorée et de la miniaturisation. Ces exigences sont observées dans tous les secteurs : automobile, industriel, appareils mobiles, centres de données et énergies renouvelables.

Pour relever ces défis, les concepteurs de puissance se tournent vers les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), qui ont été mis en évidence par un certain nombre de dispositifs WBG présentés au salon. Les dispositifs WBG, à la fois en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN), constituent un segment croissant du marché des dispositifs d'alimentation. Ces dispositifs offrent des avantages inhérents par rapport au silicium, notamment des bandes interdites plus élevées et des pertes de conduction plus faibles, trouvant des logements dans les véhicules électriques (VE), les télécommunications et les énergies renouvelables.

Dans le même temps, il existe une demande croissante de dispositifs d'alimentation adaptés aux environnements industriels difficiles. Beaucoup de ces appareils sont axés sur l'amélioration de l'efficacité globale et la réduction de l'espace sur la carte.

Voici une sélection d'appareils d'alimentation présentés à l'APEC 2021.

Appareils WBG

SiC sans souci fait de grandes percées dans les véhicules électriques grâce à plusieurs avantages par rapport au silicium, notamment une meilleure commutation et des performances thermiques améliorées, se traduisant par un rendement plus élevé, une densité de puissance plus élevée et une taille plus petite. L'un des dispositifs SiC les plus récents pour véhicules électriques vient d'ON Semi-conducteurs. L'entreprise a présenté plusieurs Solutions SiC, dont 650 V SiC mosfet et des MOSFET SiC à canal N de 1,200 900 V et XNUMX V. La société a également organisé plusieurs séminaires sur la recharge hors-bord des VE.

Deux de ON Semi-conducteursLes derniers produits SiC de destinés aux véhicules électriques sont 1,200 XNUMX V SiC mosfet modules de deux packs. Ces modules, basés sur la technologie planaire, peuvent piloter un Tension plage de 18 à 20 V. Les appareils sont simples à piloter avec des tensions de grille négatives, a déclaré la société.

Conçu pour les applications de borne de recharge pour VE et configuré comme un demi-pont à deux packs, le NXH010P120MNF1 est un appareil de 10 mΩ logé dans un boîtier F1, tandis que le NXH006P120MNF2 est un appareil de 6 mΩ en boîtier F2. Les boîtiers comportent des broches à ajustement serré, ce qui les rend également adaptés aux applications industrielles.

Les modules SiC MOSFET comportent également une thermistance à coefficient de température négatif (CTN) intégrée pour la surveillance de la température. En plus de la recharge des véhicules électriques, ces appareils peuvent être utilisés dans les onduleurs solaires, les alimentations sans interruption et les systèmes de stockage d'énergie.

Alors que la technologie SiC progresse sur les marchés des véhicules électriques, de nombreux appareils WBG présentés à l'APEC sont basés sur la technologie GaN. Les dispositifs GaN offrent plusieurs avantages par rapport au silicium, notamment une taille plus petite, une conductivité thermique plus élevée et un rendement élevé. Voici quelques exemples de Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations et Texas Instruments.

EPC a présenté ses derniers transistors à effet de champ à base de GaN à mode d'amélioration (FET eGaN) et ses circuits intégrés pour l'informatique à haute densité de puissance, l'automobile, la mobilité électrique et la robotique. La société a également organisé plusieurs sessions techniques présentant ses FET et circuits intégrés eGaN.

Les nouveaux produits comprennent des produits de distribution d'alimentation par bus 48 V tels que le EPC9137, un 1.5 kW biphasé 48 à 12 V bidirectionnel convertisseur qui fonctionne avec 97% d'efficacité dans un très faible encombrement. Le convertisseur CC/CC EPC9137 serait 3 fois plus rapide et plus de 35 % plus petit et plus léger avec une efficacité supérieure de 1.5 % par rapport aux solutions MOSFET au silicium.

EPC propose également une carte de démonstration évolutive qui permet de mettre en parallèle deux convertisseurs pour atteindre 3 kW ou trois convertisseurs en parallèle pour atteindre 4.5 kW. La carte comprend quatre FET eGaN 2206 V EPC100 et est contrôlée par un module qui inclut le contrôleur numérique 33 bits Microchip dsPIC256CK503MP16.

Les FET EPC eGaN peuvent fonctionner avec une efficacité de 97% à une fréquence de commutation de 250 kHz, permettant 800 W/phase par rapport aux solutions à base de silicium, a déclaré EPC. De plus, il est possible de réduire le nombre de phases de cinq à quatre pour un convertisseur de 3.5 kW tout en augmentant l'efficacité, a ajouté l'entreprise.

La société a également annoncé l'extension de son portefeuille de FET eGaN 80 V et 200 V. Cela inclut le EPC2065 ainsi que EPC2054 FET eGaN.

GaN Systems a présenté ses solutions GaN les plus récentes pour une gamme d'applications, des chargeurs de téléphones portables et d'ordinateurs portables aux véhicules électriques. Une solution est une conception de référence pour un convertisseur résonant LLC de 3 kW à base de GaN à haute densité et à haut rendement (GS-EVB-LLC-3KW-GS), ciblant les applications de centres de données, de télécommunications et d'alimentation électrique à découpage (SMPS) industrielle. La conception du convertisseur résonant LLC à pont complet, intégrant les Transistors e-mode 650 V, dépasse la norme 80 PLUS Titanium pour les blocs d'alimentation, atteignant une densité de puissance élevée (PSU AC/DC) supérieure à 100 W/in.³ et haute efficacité de plus de 96%.

GaN Systems a également fait la démonstration de plusieurs produits de chargeur grand public, y compris le Chargeur intelligent PD GaN double USB-C 100 W et des exemples de haute efficacité QR 65-W basé sur GaN ainsi que  Pince active flyback (ACF) de 65 W chargeurs. Pour l'automobile, l'entreprise a souligné son Transistors 650-V, 60-A de qualité automobile, qui répondent aux exigences de puissance élevée, de faible perte et de fiabilité élevée.

Nexperia a mis en avant sa famille Power GaN FET, en se concentrant sur les dispositifs 650 V, ainsi que son boîtier à montage en surface CCPAK. Parmi les derniers nouveaux produits, citons sa deuxième génération Famille de dispositifs GaN FET de puissance 650 V, ciblant les alimentations serveur et télécom.

Les FET GaN 650 V sont conformes aux alimentations de classe 80 PLUS Titanium (SMPS industriels monophasés AC/DC et DC/DC) fonctionnant de 2 kW à 10 kW, avec un R_{DS (activé)} jusqu'à 35 mΩ (typique). Ils peuvent également être utilisés dans des onduleurs solaires et des servomoteurs dans la même plage de puissance.

Les FET GaN de puissance 650-V H2, logés dans un emballage TO-247, offrent un retrait de 36% de la taille de la matrice pour un R donné_{DS (activé)} valeur pour une meilleure stabilité et efficacité, a déclaré la société. De plus, la configuration cascode élimine le besoin de pilotes compliqués, accélérant ainsi le temps de mise sur le marché.

Nexperia propose également une gamme de dispositifs GaN FET dotés de sa technologie GaN HEMT H2 haute tension de nouvelle génération, ciblant les applications automobiles, 5G et de centre de données. Les appareils sont logés dans la norme TO-247 et dans le boîtier de montage en surface CCPAK propriétaire de la société avec un clip en cuivre.

Power Integrations a concentré ses sessions APEC sur les solutions de pilotes de moteur BLDC, les outils d'automatisation de la conception et les dispositifs PowiGaN. L'un des plus récents de la famille d'appareils PowiGaN est le InnoSwitch4-CZ Circuits intégrés de commutation flyback avec technologie GaN, ciblant une nouvelle classe d'appareils de charge mobiles ultra-compacts.

La InnoSwitch4-CZ La famille de circuits intégrés de commutation flyback haute fréquence à commutation zéro tension intègre un commutateur primaire 750 V utilisant la technologie PowiGaN de l'entreprise et un nouveau contrôleur ACF haute fréquence pour permettre une nouvelle classe de chargeurs ultra-compacts et ultra-efficaces pour téléphones , tablettes et ordinateurs portables.

La combinaison de pinces actives InnoSwitch4-CZ et ClampZero offre jusqu'à 95% d'efficacité et maintient une efficacité très élevée malgré les variations de tension de ligne, de charge du système et de tension de sortie par rapport aux anciennes approches ACF, a déclaré Power Integrations.

Outre plusieurs sessions techniques, parmi les produits présentés que Texas Instruments Inc. a mis en évidence à l'APEC figurent ses FET GaN. En novembre dernier, TI a revendiqué le premier véhicule automobile FET GaN avec pilote intégré, protection et gestion active de l'alimentation pour les applications automobiles et industrielles. Élargir son portefeuille de gestion de l'alimentation GaN FET haute tension, le nouveau 650-V et 600-V FET GaN fournir deux fois la densité de puissance et atteindre une efficacité de 99% par rapport aux solutions existantes, a déclaré TI.

De plus, lorsqu'il est associé aux fonctions de contrôle avancées des microcontrôleurs en temps réel C2000, tels que le TMS320F2838x ou le TMS320F28004x, le LMG3522R030-Q1 GaN FET permet des fréquences de commutation supérieures à 1 MHz dans les convertisseurs de puissance, réduisant la taille magnétique de 59 % par rapport aux solutions existantes au silicium et au SiC, a déclaré TI.

Avec un pilote de porte intégré à commutation rapide de 2.2 MHz, le FET GaN intègrent également une protection interne et une détection de température, ce qui permet de réduire l'espace sur la carte dans les conceptions de gestion de l'alimentation. Cette intégration, associée à la densité de puissance élevée de la technologie GaN propriétaire de TI, permet aux ingénieurs d'éliminer plus de 10 composants généralement requis pour les solutions discrètes, a déclaré TI. De plus, chacun des nouveaux FET de 30 mΩ peut prendre en charge jusqu'à 4 kW de conversion de puissance lorsqu'il est appliqué dans une configuration en demi-pont.

TI a déclaré que les FET GaN automobiles peuvent aider à réduire la taille des chargeurs embarqués et des convertisseurs CC/CC des véhicules électriques jusqu'à 50 % par rapport aux solutions existantes au silicium ou au SiC, offrant aux véhicules électriques une gamme de batteries étendue, une fiabilité accrue du système et un coût inférieur .

Pour les applications industrielles, les nouveaux dispositifs permettent une efficacité et une densité de puissance élevées dans les applications d'alimentation CA/CC dans lesquelles de faibles pertes et un espace carte réduit sont importants, a déclaré TI. Les applications incluent les plates-formes informatiques à grande échelle et d'entreprise ainsi que les redresseurs de télécommunications 5G.

Puissance industrielle

Infineon Technologies AG a présenté une multitude de solutions de gestion de l'alimentation à l'APEC cette année, allant du silicium aux appareils WBG, couvrant une gamme d'applications allant de l'informatique et des centres de données aux énergies renouvelables et à la mobilité électrique. La société a également mis en avant sa gamme de produits de commande de moteur et de puissance industrielle.

L'un des appareils présentés par Infineon est le dernier ajout à sa EiceDRIVER portefeuille de produits, le 6EDL7141 Circuit intégré de commande de grille triphasé pour le contrôle avancé des moteurs dans les applications grand public et industrielles alimentées par batterie. Destinée à fournir une densité de puissance plus élevée et une efficacité système améliorée, la solution programmable pour les applications de contrôle moteur avancées est conditionnée dans un VQFN à 48 broches avec un encombrement de 7 × 7 mm². Lorsqu'il est combiné avec Infineon MOSFET de puissance, les appareils offrent une solution complète.

Les principales caractéristiques de l'EiceDRIVER 6EDL7141 incluent une interface SPI pour la configuration de la sortie du variateur de porte, une alimentation intégrée et des pompes de charge doubles pour fournir toutes les fonctions du système. Grâce à une plage de tension de fonctionnement de 5.5 à 60 V et à un courant de pilotage configurable jusqu'à 1.5 A, l'appareil peut piloter une large gamme de MOSFET. Il offre également un réglage de la tension d'alimentation du pilote de grille réglable entre 7 V, 10 V, 12 V et 15 V.

Le Buck intégré régulateur ne nécessite qu'un condensateur ainsi que Inducteur pour alimenter à la fois le microcontrôleur et les capteurs à effet Hall du moteur, dit Infineon, ce qui réduit l'espace sur la carte et le nombre de composants externes requis.

ON Semiconductor a lancé quelques modules d'alimentation intégrés pour les applications industrielles. Les deux nouveaux modules intégrés de correction du facteur de puissance (PFC) convertisseur-onduleur sont conçus pour les entraînements de moteurs industriels, les servomoteurs et les systèmes HVAC, où ils sont utilisés pour entraîner des moteurs pour des applications telles que les ventilateurs et les pompes.

La NXH50M65L4C2SG ainsi que  NXH50M65L4C2ESG sont des modules d'alimentation intégrés moulés par transfert qui ciblent les applications industrielles robustes avec une puissance de sortie élevée.

Les NXH50M65L4C2SG et NXH50M65L4C2ESG, basés sur un oxyde d'aluminium standard (Al₂O₃) et un substrat amélioré à faible résistance thermique, respectivement, contiennent un convertisseur-onduleur-PFC circuit composé d'un convertisseur monophasé avec quatre redresseurs de 75 A, 1,600 50 V. L'onduleur triphasé (NXH65M4L2C50ESG) utilise six 600 A, XNUMX V IGBTs avec diodes inverses, et le PFC entrelacé double canal (NXH50M65L4C2SG) intègre deux IGBT PFC 75 A, 650 V avec diodes inverses et deux diodes PFC 50 A, 650 V. Une thermistance NTC est intégrée pour permettre la surveillance de la température de l'appareil pendant le fonctionnement.

Grâce au module pré-assemblé et optimisé, les éléments parasites sont très petits par rapport aux conceptions discrètes à base de PCB, dit ON Semiconductor, permettant une large gamme de fréquences de commutation PFC entre 18 kHz et 65 kHz.

ON Semiconductor a également revendiqué le premier contrôleur PFC totem-pole de l'industrie pour les alimentations hors ligne ultra-haute densité. le NCP1680 Le contrôleur PFC totem-pole en mode conduction critique utilise une nouvelle architecture de limite de courant et une détection de phase de ligne ainsi que des algorithmes de contrôle éprouvés.

En remplaçant les diodes du pont redresseur par des commutateurs dans une configuration totémique et en « tirant la fonction boost PFC », le NCP1680 peut réduire les pertes de pont et améliorer l'efficacité globale, a déclaré la société. De plus, le NCP1680 peut prendre en charge n'importe quel type de commutateur, y compris les MOSFET en silicium à superjonction ou les commutateurs WBG tels que les dispositifs SiC ou GaN.

Le dispositif intégré peut être utilisé dans des conceptions d'alimentation pour les télécommunications 5G, industrielles et informatiques hautes performances qui fonctionnent avec un secteur universel (90-265 VAC) à des niveaux de puissance recommandés jusqu'à 350 W. Par exemple, avec un 230-VAC entrée secteur, les circuits PFC basés sur le NCP1680 sont capables d'atteindre un rendement proche de 99% à 300 W.

TI a également présenté un contrôleur DC/DC intégré qui réduit les émissions conduites et la taille de l'alimentation dans les applications automobiles, industrielles et de communication. La société affirme que ce sont les premiers Contrôleurs DC/DC avec filtre EMI actif intégré (AEF) qui aident les ingénieurs à concevoir les plus petites solutions d'alimentation avec de faibles interférences électromagnétiques (EMI). En plus de l'AEF intégré, la nouvelle famille de contrôleurs abaisseurs CC/CC synchrones — les LM25149-Q1 et LM25149 — intègre la technologie à double spectre d'étalement aléatoire, qui contribue davantage à atténuer les interférences électromagnétiques.

Il existe plusieurs scénarios selon lesquels le nouveau LM25149-Q1 ainsi que  LM25149 Les contrôleurs DC/DC aident les concepteurs de puissance. Les dispositifs peuvent soit réduire de moitié la zone du filtre EMI externe et réduire l'EMI conduit de la conception de puissance jusqu'à 55 dBµV sur plusieurs bandes de fréquences, soit obtenir une combinaison de taille de filtre réduite et de faible EMI, selon TI.

L'AEF intégré, en réduisant la charge de filtrage sur les éléments passifs, réduit la taille, le volume et le coût du filtre EMI passif, permettant aux ingénieurs d'obtenir la conception de puissance à faible EMI la plus petite possible, a déclaré TI. L'AEF intégré peut réduire la taille des filtres EMI jusqu'à 50 % en surface et 75 % en volume. Les contrôleurs buck disposent également d'une synchronisation de fréquence avec une horloge externe, ce qui réduit encore les EMI.

D'autres caractéristiques qui aident à augmenter la densité de puissance incluent le fonctionnement biphasé entrelacé et l'intégration de la diode d'amorçage, la compensation de boucle et les composants de retour de tension de sortie. TI a noté que les ingénieurs ont la possibilité d'utiliser une rétroaction externe et une compensation de boucle pour optimiser davantage leurs conceptions.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, qui fait désormais partie de maximum Integrated Products Inc., introduit avant l'APEC un conception de référence d'outillage en bout de bras pour la robotique industrielle et le servocontrôleur/driver monoaxe avec contrôle de mouvement intégré.

L'open-source TMCM-1617-GRIP-REF La conception de référence intègre un contrôle orienté sur le terrain (FOC) basé sur le matériel et trois ports de communication, prenant en charge la communication industrielle EtherCAT, IO-Link ou RS-485. La conception de référence comprend la qualité industrielle de Maxim Integrated MAX22000 entrée/sortie analogique configurable de haute précision et MAX14906 entrée/sortie numérique à quatre canaux pour régler les multiples modes du Trinamic TMCM-1617 servomoteur à axe unique.

Trinamic a déclaré que la conception réduisait la taille des pinces robotiques de 3 fois tout en réduisant de moitié le temps de développement, grâce à la plate-forme matérielle intelligente entièrement intégrée qui fournit des algorithmes de contrôle moteur ainsi que des piles de protocoles. Toutes ces fonctionnalités - FOC matérielle, entrées/sorties configurables par logiciel et trois piles de protocoles de communication - s'intègrent dans une solution compacte de 4,197 XNUMX mm².

à propos de la conversion efficace de puissance (EPC)GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorPower IntegrationsTexas InstrumentsTRINAMIC