Roundup APEC: WBG dan kekuatan industri disorot

Sesi teknis di Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) mencerminkan tren daya utama di seluruh industri: permintaan akan efisiensi yang lebih tinggi, manajemen termal yang lebih baik, dan miniaturisasi. Persyaratan ini terlihat di seluruh industri — otomotif, industri, perangkat seluler, pusat data, dan energi terbarukan.

Untuk memenuhi tantangan ini, perancang daya beralih ke semikonduktor celah pita lebar (WBG), yang disorot oleh sejumlah perangkat WBG yang ditampilkan di pameran. Perangkat WBG, baik silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN), adalah segmen pasar perangkat listrik yang sedang berkembang. Perangkat ini menawarkan keunggulan yang melekat pada silikon, termasuk celah pita yang lebih tinggi dan kerugian konduksi yang lebih rendah, menemukan rumah di kendaraan listrik (EV), telekomunikasi, dan energi terbarukan.

Pada saat yang sama, ada peningkatan permintaan untuk perangkat listrik yang memenuhi lingkungan industri yang keras. Banyak dari perangkat ini berfokus pada peningkatan efisiensi secara keseluruhan dan mengurangi ruang papan.

Berikut adalah pilihan perangkat listrik yang ditampilkan di APEC 2021.

Perangkat WBG

SiC teknologi membuat terobosan besar dalam kendaraan listrik berkat beberapa keunggulan dibandingkan silikon, termasuk peralihan yang lebih baik dan peningkatan kinerja termal, yang menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi, kepadatan daya yang lebih tinggi, dan ukuran yang lebih kecil. Salah satu perangkat SiC terbaru untuk EV hadir dari ON Semikonduktor. Perusahaan memamerkan beberapa solusi SiC, termasuk 650-V SiC MOSFET dan 1,200-V dan 900-V N-channel SiC MOSFET. Perusahaan juga menyelenggarakan beberapa seminar tentang pengisian EV off-board.

Dua dari ON SemikonduktorProduk SiC terbaru yang ditujukan untuk EV adalah 1,200-V SiC MOSFET modul dua paket. Modul-modul ini, berdasarkan teknologi planar, dapat mendorong a tegangan kisaran 18-20 V. Perangkat mudah dikendarai dengan tegangan gerbang negatif, kata perusahaan.

Dirancang untuk aplikasi stasiun pengisian EV dan dikonfigurasi sebagai jembatan setengah paket dua, the NXH010P120MNF1 adalah perangkat 10-mΩ yang ditempatkan dalam paket F1, sedangkan NXH006P120MNF2 adalah perangkat 6-mΩ dalam paket F2. Paket-paket ini memiliki pin press-fit, membuatnya juga cocok untuk aplikasi industri.

Modul SiC MOSFET juga dilengkapi termistor koefisien suhu negatif (NTC) tertanam untuk pemantauan suhu. Selain pengisian daya EV, perangkat ini dapat digunakan dalam inverter surya, catu daya tak terputus, dan sistem penyimpanan energi.

Sementara teknologi SiC membuat kemajuan di pasar EV, banyak perangkat WBG yang ditampilkan di APEC didasarkan pada teknologi GaN. Perangkat GaN menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan silikon, termasuk ukuran yang lebih kecil, konduktivitas termal yang lebih tinggi, dan efisiensi yang tinggi. Berikut adalah beberapa contoh dari Konversi Daya Efisien (EPC), Sistem GaN, Nexperia, Integrasi Daya, dan Instrumen Texas.

EPC memamerkan transistor efek medan (eGaN FETs) dan IC mode peningkatan terbaru berbasis GaN untuk komputasi kepadatan daya tinggi, otomotif, mobilitas elektronik, dan robotika. Perusahaan juga menyelenggarakan beberapa sesi teknis yang menampilkan FET dan IC eGaN.

Produk baru termasuk produk distribusi daya bus 48-V seperti: EPC9137, 1.5 kW dua fase 48 hingga 12 V dua arah Converter yang beroperasi dengan efisiensi 97% dalam footprint yang sangat kecil. Konverter DC/DC EPC9137 dikatakan 3× lebih cepat dan lebih dari 35% lebih kecil dan lebih ringan dengan efisiensi lebih dari 1.5% lebih tinggi dibandingkan dengan solusi MOSFET silikon.

EPC juga menawarkan papan demo terukur yang memungkinkan dua konverter diparalelkan untuk mencapai 3 kW atau tiga konverter diparalelkan untuk mencapai 4.5 kW. Papan ini memiliki empat FET eGaN EPC2206 100-V dan dikendalikan oleh a modul itu termasuk pengontrol digital 33-bit Microchip dsPIC256CK503MP16.

EPC eGaN FET dapat beroperasi dengan efisiensi 97% pada frekuensi switching 250-kHz, memungkinkan 800 W/fase dibandingkan dengan solusi berbasis silikon, kata EPC. Selain itu, dimungkinkan untuk mengurangi jumlah fase dari lima menjadi empat untuk konverter 3.5 kW sambil meningkatkan efisiensi, tambah perusahaan.

Perusahaan juga mengumumkan perluasan portofolio eGaN FET 80-V dan 200-V. Ini termasuk EPC2065 dan EPC2054 eGaN FET.

Sistem GaN mendemonstrasikan solusi berbasis GaN terbaru untuk berbagai aplikasi, mulai dari pengisi daya ponsel dan PC laptop hingga EV. Salah satu solusinya adalah desain referensi untuk konverter resonan LLC 3-kW berbasis GaN dengan kepadatan tinggi dan efisiensi tinggi (GS-EVB-LLC-3KW-GS), menargetkan aplikasi pusat data, telekomunikasi, dan catu daya mode sakelar industri (SMPS). Desain konverter resonansi LLC jembatan penuh, mengintegrasikan perusahaan Transistor e-mode 650-V, melebihi standar Titanium 80 PLUS untuk unit catu daya, mencapai kepadatan daya tinggi (PSU AC/DC) di atas 100 W/in.³ dan efisiensi tinggi lebih dari 96%.

GaN Systems juga mendemonstrasikan beberapa produk pengisi daya konsumen, termasuk Pengisi daya PD GaN cerdas USB-C ganda 100-W dan contoh efisiensi tinggi QR 65-W berbasis GaN dan Flyback penjepit aktif 65-W (ACF) pengisi daya. Untuk otomotif, perusahaan menonjolkan transistor 650-V, 60-A kelas otomotif, yang memenuhi persyaratan untuk daya tinggi, kehilangan rendah, dan keandalan tinggi.

Nexperia menyoroti keluarga kekuatan GaN FET, dengan fokus pada perangkat 650-V, bersama dengan kemasan pemasangan permukaan CCPAK. Beberapa produk baru terbaru termasuk generasi kedua Keluarga perangkat GaN FET daya 650-V, menargetkan catu daya server dan telekomunikasi.

650-V GaN FET memenuhi 80 PLUS catu daya kelas Titanium (SMP industri AC/DC dan DC/DC fase tunggal) yang beroperasi pada 2 kW hingga 10 kW, dengan R_{DS (aktif)} hingga 35 mΩ (khas). Mereka juga dapat digunakan pada inverter surya dan drive servo dalam rentang daya yang sama.

FET GaN daya H650 2-V, ditempatkan dalam kemasan TO-247, menghasilkan penyusutan 36% dalam ukuran die untuk R tertentu_{DS (aktif)} nilai untuk stabilitas dan efisiensi yang lebih baik, kata perusahaan. Selain itu, konfigurasi cascode menghilangkan kebutuhan akan driver yang rumit, mempercepat waktu ke pasar.

Nexperia juga menawarkan kisaran perangkat GaN FET yang menampilkan teknologi GaN HEMT H2 tegangan tinggi generasi berikutnya, yang menargetkan aplikasi otomotif, 5G, dan pusat data. Perangkat ditempatkan dalam standar TO-247 dan kemasan pemasangan permukaan CCPAK milik perusahaan dengan klip tembaga.

Integrasi Daya memfokuskan sesi APEC pada solusi driver motor BLDC, alat otomatisasi desain, dan perangkat PowiGaN. Salah satu yang terbaru dalam keluarga perangkat PowiGaN adalah InnoSwitch4-CZ IC flyback switcher dengan teknologi GaN, menargetkan perangkat pengisian daya seluler ultra-kompak kelas baru.

Grafik InnoSwitch4-CZ rangkaian IC pengalih flyback berfrekuensi tinggi, zero-voltage-switching menggabungkan sakelar utama 750-V menggunakan teknologi PowiGaN perusahaan dan pengontrol ACF frekuensi tinggi baru untuk memungkinkan kelas baru pengisi daya ultra-kompak dan ultra-efisien untuk ponsel , tablet, dan laptop.

Combo penjepit aktif InnoSwitch4-CZ dan ClampZero memberikan efisiensi hingga 95% dan mempertahankan efisiensi yang sangat tinggi di seluruh variasi tegangan saluran, beban sistem, dan tegangan keluaran dibandingkan dengan pendekatan ACF yang lebih lama, kata Power Integrasi.

Bersama dengan beberapa sesi teknis, di antara produk unggulan yang disoroti Texas Instruments Inc. di APEC adalah GaN FET-nya. November lalu, TI mengklaim otomotif pertama GaN FET dengan driver terintegrasi, perlindungan, dan manajemen daya aktif untuk aplikasi otomotif dan industri. Memperluasnya portofolio manajemen daya GaN FET tegangan tinggi, 650-V baru dan 600-V GaN FET memberikan kepadatan daya dua kali lipat dan mencapai efisiensi 99% dibandingkan dengan solusi yang ada, kata TI.

Selain itu, bila dikombinasikan dengan fitur kontrol lanjutan di mikrokontroler real-time C2000, seperti TMS320F2838x atau TMS320F28004x, LMG3522R030-Q1 GaN FET memungkinkan frekuensi switching lebih besar dari 1 MHz dalam konverter daya, mengurangi ukuran magnet sebesar 59% dibandingkan solusi silikon dan SiC yang ada, kata TI.

Dengan penggerak gerbang terintegrasi 2.2-MHz yang cepat-switching, GaN FET juga mengintegrasikan perlindungan internal dan sensor suhu, yang membantu mengurangi ruang papan dalam desain manajemen daya. Integrasi ini, bersama dengan kepadatan daya tinggi dari teknologi GaN milik TI, memungkinkan para insinyur untuk menghilangkan lebih dari 10 komponen yang biasanya diperlukan untuk solusi diskrit, kata TI. Selain itu, masing-masing FET 30-mΩ baru dapat mendukung konversi daya hingga 4 kW bila diterapkan dalam konfigurasi setengah jembatan.

TI mengatakan GaN FET otomotif dapat membantu mengurangi ukuran pengisi daya on-board EV dan konverter DC/DC sebanyak 50% dibandingkan dengan solusi silikon atau SiC yang ada, menawarkan EV rentang baterai yang lebih lama, peningkatan keandalan sistem, dan biaya yang lebih rendah .

Untuk aplikasi industri, perangkat baru ini memungkinkan efisiensi tinggi dan kepadatan daya dalam aplikasi pengiriman daya AC/DC di mana kerugian rendah dan ruang papan berkurang adalah penting, kata TI. Aplikasi termasuk platform komputasi hyperscale dan perusahaan serta penyearah telekomunikasi 5G.

Kekuatan industri

Infineon Technologies AG menampilkan sejumlah solusi manajemen daya di APEC tahun ini, mulai dari silikon hingga perangkat WBG, yang mencakup berbagai aplikasi mulai dari komputasi dan pusat data hingga energi terbarukan dan e-mobilitas. Perusahaan juga menyoroti lini produk kekuatan industri dan kontrol motor.

Salah satu perangkat yang diunggulkan Infineon adalah tambahan terbaru untuknya IceDRIVER portofolio produk, 6EDL7141 IC driver gerbang tiga fase untuk kontrol motor tingkat lanjut dalam aplikasi konsumen dan industri bertenaga baterai. Ditujukan untuk memberikan kepadatan daya yang lebih tinggi dan efisiensi sistem yang ditingkatkan, solusi yang dapat diprogram untuk aplikasi kontrol motor tingkat lanjut dikemas dalam VQFN 48-pin dengan ukuran 7 × 7-mm². Ketika digabungkan dengan Infineon's daya MOSFET, perangkat menawarkan solusi lengkap.

Fitur utama dari EiceDRIVER 6EDL7141 termasuk antarmuka SPI untuk konfigurasi output penggerak gerbang, catu daya terintegrasi, dan pompa pengisian ganda untuk memasok semua fungsi sistem. Berkat rentang tegangan operasi dari 5.5 hingga 60 V dan arus penggerak yang dapat dikonfigurasi hingga 1.5 A, perangkat ini dapat menggerakkan berbagai MOSFET. Ia juga menawarkan pengaturan tegangan suplai driver gerbang yang dapat disesuaikan antara 7 V, 10 V, 12 V, dan 15 V.

Uang yang terintegrasi pengatur hanya membutuhkan eksternal kapasitor dan Induktor untuk menyediakan daya untuk mikrokontroler dan sensor Hall di motor, kata Infineon, yang mengurangi ruang papan dan jumlah komponen eksternal yang diperlukan.

ON Semiconductor meluncurkan beberapa modul daya terintegrasi untuk aplikasi industri. Dua yang baru terintegrasi, modul konverter-inverter-power factor correction (PFC) dirancang untuk penggerak motor industri, penggerak servo, dan HVAC, yang digunakan untuk menggerakkan motor untuk aplikasi termasuk kipas dan pompa.

Grafik NXH50M65L4C2SG dan NXH50M65L4C2ESG adalah modul terintegrasi daya yang dicetak dengan transfer yang menargetkan aplikasi industri kasar dengan daya output tinggi.

NXH50M65L4C2SG dan NXH50M65L4C2ESG, berdasarkan aluminium oksida standar (Al₂O₃) dan substrat tahan panas rendah yang ditingkatkan, masing-masing, berisi konverter−inverter−PFC sirkit terdiri dari konverter satu fasa dengan empat penyearah 75-A, 1,600-V. Inverter tiga fase (NXH50M65L4C2ESG) menggunakan enam tegangan 50-A, 600-V IGBTs dengan dioda terbalik, dan PFC interleaved saluran ganda (NXH50M65L4C2SG) mengintegrasikan dua IGBT PFC 75-A, 650-V dengan dioda terbalik dan dua dioda PFC 50-A, 650-V. Termistor NTC tertanam untuk memungkinkan pemantauan suhu perangkat selama pengoperasian.

Berkat modul pra-rakitan dan dioptimalkan, elemen parasit sangat kecil jika dibandingkan dengan desain berbasis PCB diskrit, kata ON Semiconductor, memungkinkan rentang frekuensi switching PFC yang lebar antara 18 kHz dan 65 kHz.

ON Semiconductor juga mengklaim pengontrol PFC totem-pole pertama di industri untuk catu daya offline dengan kepadatan sangat tinggi. Itu NCP1680 Kontroler PFC totem-pole mode konduksi kritis menggunakan arsitektur batas arus baru dan deteksi fase garis bersama dengan algoritme kontrol yang telah terbukti.

Dengan mengganti dioda jembatan penyearah dengan sakelar dalam konfigurasi tiang totem dan “menarik fungsi peningkatan PFC,” NCP1680 dapat mengurangi kerugian jembatan dan meningkatkan efisiensi secara keseluruhan, kata perusahaan. Selain itu, NCP1680 dapat mendukung semua jenis sakelar, termasuk MOSFET silikon superjunction atau sakelar WBG seperti perangkat SiC atau GaN.

Perangkat terintegrasi dapat digunakan dalam desain catu daya untuk telekomunikasi 5G, industri, dan komputasi kinerja tinggi yang beroperasi dengan listrik universal (90–265 VAC) pada tingkat daya yang direkomendasikan hingga 350 W. Sebagai contoh, dengan 230-VAC input listrik, sirkuit PFC berdasarkan NCP1680 mampu mencapai efisiensi hampir 99% pada 300 W.

TI juga memamerkan pengontrol DC/DC terintegrasi yang mengurangi emisi yang dilakukan dan ukuran catu daya dalam aplikasi otomotif, industri, dan komunikasi. Perusahaan mengklaim ini adalah yang pertama Kontroler DC/DC dengan filter EMI aktif terintegrasi (AEF) yang membantu para insinyur merancang solusi catu daya terkecil dengan interferensi elektromagnetik rendah (EMI). Selain AEF terintegrasi, keluarga baru pengontrol arus DC/DC sinkron — LM25149-Q1 dan LM25149 — menggabungkan teknologi spektrum penyebaran acak ganda, yang selanjutnya membantu mengurangi EMI.

Ada beberapa skenario dimana yang baru LM25149-Q1 dan LM25149 Kontroler DC/DC membantu perancang daya. Perangkat dapat memotong area filter EMI eksternal menjadi dua dan menurunkan EMI yang dilakukan dari desain daya sebanyak 55 dBµV di beberapa pita frekuensi atau mencapai kombinasi ukuran filter yang dikurangi dan EMI rendah, menurut TI.

AEF terintegrasi, dengan mengurangi beban penyaringan pada elemen pasif, mengurangi ukuran, volume, dan biaya filter EMI pasif, memungkinkan para insinyur mencapai desain daya EMI rendah yang sekecil mungkin, kata TI. AEF terintegrasi dapat mengurangi ukuran filter EMI hingga 50% di area dan 75% dalam volume. Pengontrol uang juga menampilkan sinkronisasi frekuensi ke jam eksternal, yang selanjutnya mengurangi EMI.

Fitur lain yang membantu meningkatkan kepadatan daya termasuk operasi fase ganda interleaved dan integrasi dioda bootstrap, kompensasi loop, dan komponen umpan balik tegangan keluaran. TI mencatat bahwa para insinyur memiliki opsi untuk menggunakan umpan balik eksternal dan kompensasi loop untuk lebih mengoptimalkan desain mereka.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, sekarang menjadi bagian dari pepatah Integrated Products Inc., diperkenalkan sebelum APEC dan desain referensi perkakas ujung lengan untuk robotika industri dan pengontrol/driver servo sumbu tunggal dengan kontrol gerak terintegrasi.

Sumber terbuka TMCM-1617-GRIP-REF desain referensi mengintegrasikan kontrol berorientasi lapangan (FOC) berbasis perangkat keras dan tiga port komunikasi, mendukung komunikasi industri EtherCAT, IO-Link, atau RS-485. Desain referensi menampilkan kelas industri Maxim Integrated MAX22000 input/output analog presisi tinggi yang dapat dikonfigurasi dan MAX14906 input/output digital quad-channel untuk menyesuaikan beberapa mode Trinamic TMCM-1617 driver servo sumbu tunggal.

Trinamic mengatakan desainnya mengecilkan ukuran gripper robot hingga 3x sekaligus mengurangi waktu pengembangan menjadi setengahnya, berkat platform perangkat keras cerdas yang terintegrasi penuh yang menyediakan algoritme kontrol motor serta tumpukan protokol. Semua fitur ini — FOC berbasis perangkat keras, input/output yang dapat dikonfigurasi perangkat lunak, dan tiga tumpukan protokol komunikasi — cocok dengan ukuran solusi ringkas yang berukuran 4,197 mm².

tentang Konversi Daya Efisien (EPC)GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorIntegrasi DayaInstrumen TexasTRINAMIC