Rassegna APEC: WBG e potenza industriale sotto i riflettori

Le sessioni tecniche della Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) hanno rispecchiato le principali tendenze energetiche in tutti i settori: la richiesta di maggiore efficienza, migliore gestione termica e miniaturizzazione. Questi requisiti sono presenti in tutti i settori: automobilistico, industriale, dispositivi mobili, data center ed energie rinnovabili.

Per affrontare queste sfide, i progettisti di potenza si stanno rivolgendo ai semiconduttori a banda larga (WBG), che sono stati evidenziati da una serie di dispositivi WBG presentati alla fiera. I dispositivi WBG, sia al carburo di silicio (SiC) che al nitruro di gallio (GaN), rappresentano un segmento in crescita del mercato dei dispositivi di potenza. Questi dispositivi offrono vantaggi intrinseci rispetto al silicio, inclusi bandgap più elevati e perdite di conduzione inferiori, trovare case nei veicoli elettrici (EV), nelle telecomunicazioni e nell'energia rinnovabile.

Allo stesso tempo, c'è una crescente domanda di dispositivi di potenza che soddisfano gli ambienti industriali difficili. Molti di questi dispositivi sono focalizzati sul miglioramento dell'efficienza complessiva e sulla riduzione dello spazio sulla scheda.

Ecco una selezione di dispositivi di alimentazione presenti all'APEC 2021.

Dispositivi WBG

Sic la tecnologia sta facendo grandi passi avanti nei veicoli elettrici grazie a numerosi vantaggi rispetto al silicio, tra cui una migliore commutazione e prestazioni termiche migliorate, che si traducono in maggiore efficienza, maggiore densità di potenza e dimensioni più piccole. Uno dei più recenti dispositivi SiC per veicoli elettrici proviene da ON Semiconduttore. L'azienda ha presentato diversi Soluzioni SiC, incluso SiC . da 650 V mosfet e MOSFET SiC a canale N da 1,200 V e 900 V. L'azienda ha anche ospitato diversi seminari sulla ricarica dei veicoli elettrici fuori bordo.

Due di ON SemiconduttoreGli ultimi prodotti SiC di destinati ai veicoli elettrici sono SiC . da 1,200 V mosfet moduli a due confezioni. Questi moduli, basati sulla tecnologia planare, possono pilotare a voltaggio gamma di 18-20 V. I dispositivi sono semplici da pilotare con tensioni di gate negative, ha affermato la società.

Progettato per applicazioni di stazioni di ricarica per veicoli elettrici e configurato come mezzo ponte a due pacchetti, il NXH010P120MNF1 è un dispositivo da 10 mΩ alloggiato in un contenitore F1, mentre il NXH006P120MNF2 è un dispositivo da 6 mΩ in un pacchetto F2. Le confezioni sono dotate di perni a pressione, che le rendono adatte anche per applicazioni industriali.

I moduli MOSFET SiC dispongono anche di un termistore con coefficiente di temperatura negativo (NTC) integrato per il monitoraggio della temperatura. Oltre alla ricarica di veicoli elettrici, questi dispositivi possono essere utilizzati in inverter solari, gruppi di continuità e sistemi di accumulo di energia.

Mentre la tecnologia SiC sta facendo progressi nei mercati dei veicoli elettrici, molti dei dispositivi WBG presentati all'APEC si basano sulla tecnologia GaN. I dispositivi GaN offrono numerosi vantaggi rispetto al silicio, tra cui dimensioni più ridotte, maggiore conduttività termica e alta efficienza. Ecco alcuni esempi da Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations e Texas Instruments.

EPC ha presentato i suoi ultimi transistor ad effetto di campo basati su GaN (eGaN FET) e circuiti integrati per il calcolo ad alta densità di potenza, il settore automobilistico, la mobilità elettrica e la robotica. L'azienda ha anche ospitato diverse sessioni tecniche con i suoi FET e IC eGaN.

I nuovi prodotti includono prodotti di distribuzione dell'alimentazione bus a 48 V come il EPC9137, un 1.5 kW bifase da 48 a 12 V bidirezionale convertitore che opera con un'efficienza del 97% in un ingombro molto ridotto. Si dice che il convertitore DC/DC EPC9137 sia 3 volte più veloce e oltre il 35% più piccolo e leggero con un'efficienza superiore dell'1.5% rispetto alle soluzioni MOSFET al silicio.

EPC offre anche una scheda demo scalabile che consente di mettere in parallelo due convertitori per raggiungere 3 kW o tre convertitori in parallelo per raggiungere 4.5 kW. La scheda presenta quattro FET eGaN EPC2206 da 100 V ed è controllata da a modulo che include il controller digitale Microchip dsPIC33CK256MP503 a 16 bit.

I FET eGaN EPC possono funzionare con un'efficienza del 97% a una frequenza di commutazione di 250 kHz, consentendo 800 W/fase rispetto alle soluzioni a base di silicio, ha affermato EPC. Inoltre, è possibile ridurre il numero di fasi da cinque a quattro per un convertitore da 3.5 kW aumentando l'efficienza, ha aggiunto l'azienda.

La società ha anche annunciato l'espansione del suo portafoglio FET eGaN da 80 V e 200 V. Questo include il EPC2065 ed EPC2054 eGaN FET.

GaN Systems ha presentato una dimostrazione delle sue più recenti soluzioni basate su GaN per una vasta gamma di applicazioni, dai caricabatterie per telefoni cellulari e PC portatili ai veicoli elettrici. Una soluzione è un progetto di riferimento per un convertitore risonante LLC da 3 kW ad alta densità e alta efficienza (GS-EVB-LLC-3KW-GS), destinati ad applicazioni per data center, telecomunicazioni e alimentatori a commutazione industriale (SMPS). Il design del convertitore risonante LLC full-bridge, che integra i Transistor e-mode da 650 V, supera lo standard 80 PLUS Titanium per gli alimentatori, raggiungendo un'elevata densità di potenza (alimentatore AC/DC) superiore a 100 W/in.³ e ad alta efficienza di oltre il 96%.

GaN Systems ha anche dimostrato diversi prodotti di caricabatterie consumer, tra cui il Caricabatterie intelligente PD GaN dual USB-C da 100 W ed esempi di alta efficienza QR da 65 W basato su GaN ed Flyback attivo a pinza da 65 W (ACF) caricabatterie. Per l'automotive, l'azienda ha evidenziato la sua transistor da 650 V, 60 A di grado automobilistico, che soddisfano i requisiti di alta potenza, basse perdite e alta affidabilità.

Nexperia ha messo in evidenza la sua famiglia di FET GaN di potenza, concentrandosi sui dispositivi da 650 V, insieme alla sua confezione a montaggio superficiale CCPAK. Alcuni degli ultimi nuovi prodotti includono la sua seconda generazione Famiglia di dispositivi GaN FET di potenza 650 VV, mirato agli alimentatori per server e telecomunicazioni.

I FET GaN da 650 V soddisfano gli alimentatori di classe 80 PLUS Titanium (SMPS industriali AC/DC e DC/DC monofase) funzionanti da 2 kW a 10 kW, con un R_{DS (on)} fino a 35 mΩ (tipico). Possono anche essere utilizzati in inverter solari e servoazionamenti nella stessa gamma di potenza.

I FET GaN di potenza H650 da 2 V, alloggiati nella confezione TO-247, forniscono un restringimento del 36% nella dimensione dello stampo per un dato R_{DS (on)} valore per una migliore stabilità ed efficienza, ha affermato la società. Inoltre, la configurazione cascode elimina la necessità di driver complicati, accelerando il time to market.

Nexperia offre anche una gamma di dispositivi GaN FET che presentano la sua tecnologia GaN HEMT H2 ad alta tensione di nuova generazione, destinata ad applicazioni automobilistiche, 5G e data center. I dispositivi sono alloggiati nello standard TO-247 e nella confezione a montaggio superficiale CCPAK proprietaria dell'azienda con una clip in rame.

Power Integrations ha concentrato le sue sessioni APEC su soluzioni driver motore BLDC, strumenti di automazione della progettazione e dispositivi PowiGaN. Uno dei più recenti nella famiglia di dispositivi PowiGaN è il InnoSwitch4-CZ circuiti integrati flyback switcher con tecnologia GaN, destinati a una nuova classe di dispositivi di ricarica mobili ultracompatti.

I InnoSwitch4-CZ La famiglia di circuiti integrati flyback switcher ad alta frequenza e commutazione zero comprende un interruttore primario da 750 V che utilizza la tecnologia PowiGaN dell'azienda e un nuovo controller ACF ad alta frequenza per consentire una nuova classe di caricabatterie ultra compatti e ultra efficienti per telefoni , tablet e laptop.

La combinazione di morsetti attivi InnoSwitch4-CZ e ClampZero fornisce fino al 95% di efficienza e mantiene un'efficienza molto elevata attraverso le variazioni di tensione di linea, carico di sistema e tensione di uscita rispetto ai precedenti approcci ACF, ha affermato Power Integrations.

Insieme a diverse sessioni tecniche, tra i prodotti in primo piano che Texas Instruments Inc. ha evidenziato all'APEC ci sono i suoi GaN FET. Lo scorso novembre, TI ha rivendicato il primo settore automobilistico GaN FET con driver integrato, protezione e gestione dell'alimentazione attiva per applicazioni automobilistiche e industriali. Espandendo la sua portafoglio di gestione dell'alimentazione GaN FET ad alta tensione, il nuovo 650-V e 600-v GaN FET fornire il doppio della densità di potenza e raggiungere un'efficienza del 99% rispetto alle soluzioni esistenti, ha affermato TI.

Inoltre, se combinato con le funzioni di controllo avanzate dei microcontrollori in tempo reale C2000, come il TMS320F2838x o il TMS320F28004x, il FET GaN LMG3522R030-Q1 consente frequenze di commutazione maggiori di 1 MHz nei convertitori di potenza, riducendo le dimensioni magnetiche del 59% rispetto alle soluzioni esistenti in silicio e SiC, ha affermato TI.

Con un gate driver integrato da 2.2 MHz a commutazione rapida, il GaN FET integrano anche la protezione interna e il rilevamento della temperatura, che aiuta a ridurre lo spazio sulla scheda nei progetti di gestione dell'alimentazione. Questa integrazione, insieme all'elevata densità di potenza della tecnologia GaN proprietaria di TI, consente agli ingegneri di eliminare più di 10 componenti tipicamente richiesti per soluzioni discrete, ha affermato TI. Inoltre, ciascuno dei nuovi FET da 30 mΩ può supportare fino a 4 kW di conversione di potenza se applicato in una configurazione a mezzo ponte.

TI ha affermato che i FET GaN per autoveicoli possono aiutare a ridurre le dimensioni dei caricatori di bordo dei veicoli elettrici e dei convertitori CC/CC fino al 50% rispetto alle soluzioni esistenti in silicio o SiC, offrendo ai veicoli elettrici una gamma di batterie estesa, maggiore affidabilità del sistema e costi inferiori .

Per le applicazioni industriali, i nuovi dispositivi consentono un'elevata efficienza e densità di potenza nelle applicazioni di alimentazione AC/DC in cui sono importanti basse perdite e spazio ridotto sulla scheda, ha affermato TI. Le applicazioni includono piattaforme informatiche hyperscale e aziendali, nonché raddrizzatori per telecomunicazioni 5G.

Potenza industriale

Infineon Technologies AG quest'anno ha presentato all'APEC una serie di soluzioni di gestione dell'alimentazione, che vanno dal silicio ai dispositivi WBG, coprendo una gamma di applicazioni dall'informatica e data center alle energie rinnovabili e alla mobilità elettrica. L'azienda ha anche messo in evidenza la sua linea di prodotti per il controllo di motori e potenza industriale.

Uno dei dispositivi che Infineon ha caratterizzato è l'ultima aggiunta al suo EiceDRIVER portafoglio prodotti, il 6EDL7141 IC gate driver trifase per il controllo avanzato del motore in applicazioni industriali e consumer alimentate a batteria. Mirata a fornire una maggiore densità di potenza e una migliore efficienza del sistema, la soluzione programmabile per applicazioni avanzate di controllo motore è contenuta in un VQFN a 48 pin con un ingombro di 7 × 7 mm². Quando combinato con Infineon's MOSFET di potenza, i dispositivi offrono una soluzione completa.

Le caratteristiche principali di EiceDRIVER 6EDL7141 includono un'interfaccia SPI per la configurazione dell'uscita del gate drive, un alimentatore integrato e pompe a doppia carica per fornire tutte le funzioni del sistema. Grazie a un intervallo di tensione operativa da 5.5 a 60 V e una corrente di pilotaggio configurabile fino a 1.5 A, il dispositivo può pilotare un'ampia gamma di MOSFET. Offre inoltre un'impostazione della tensione di alimentazione del gate driver regolabile tra 7 V, 10 V, 12 V e 15 V.

Il dollaro integrato regolatore richiede solo un esterno condensatore ed Induttore per fornire alimentazione sia al microcontrollore che ai sensori Hall nel motore, ha affermato Infineon, riducendo lo spazio sulla scheda e il numero di componenti esterni richiesti.

ON Semiconductor ha lanciato un paio di moduli di alimentazione integrati per applicazioni industriali. I due nuovi moduli integrati di correzione del fattore di potenza (PFC) convertitore-inverter sono progettati per azionamenti di motori industriali, servoazionamenti e HVAC, dove vengono utilizzati per azionare motori per applicazioni tra cui ventilatori e pompe.

I NXH50M65L4C2SG ed NXH50M65L4C2ESG sono moduli integrati di potenza stampati a trasferimento destinati ad applicazioni industriali robuste con elevata potenza di uscita.

NXH50M65L4C2SG e NXH50M65L4C2ESG, basati su un ossido di alluminio standard (Al₂O₃) e un substrato potenziato a bassa resistenza termica, rispettivamente, contengono un convertitore-invertitore-PFC circuito costituito da un convertitore monofase con quattro raddrizzatori da 75 A, 1,600 V. L'inverter trifase (NXH50M65L4C2ESG) utilizza sei moduli da 50 A, 600 V IGBTs con diodi inversi e il PFC interleaved a doppio canale (NXH50M65L4C2SG) integra due IGBT PFC da 75 A, 650 V con diodi inversi e due diodi PFC da 50 A, 650 V. È incorporato un termistore NTC per consentire il monitoraggio della temperatura del dispositivo durante il funzionamento.

Grazie al modulo preassemblato e ottimizzato, gli elementi parassiti sono molto piccoli rispetto ai design discreti basati su PCB, ha affermato ON Semiconductor, consentendo un ampio intervallo di frequenza di commutazione PFC tra 18 kHz e 65 kHz.

ON Semiconductor ha anche affermato il primo controller PFC totem-pole del settore per alimentatori offline ad altissima densità. Il NCP1680 Il controller PFC totem-pole in modalità di conduzione critica utilizza una nuova architettura del limite di corrente e il rilevamento della fase di linea insieme a comprovati algoritmi di controllo.

Sostituendo i diodi del ponte raddrizzatore con interruttori in una configurazione totem e "attivando la funzione boost PFC", l'NCP1680 può ridurre le perdite del ponte e migliorare l'efficienza complessiva, ha affermato la società. Inoltre, l'NCP1680 può supportare qualsiasi tipo di interruttore, inclusi MOSFET al silicio a supergiunzione o interruttori WBG come dispositivi SiC o GaN.

Il dispositivo integrato può essere utilizzato in progetti di alimentazione per telecomunicazioni 5G, industriali e computer ad alte prestazioni che funzionano con rete universale (90-265 VAC) a livelli di potenza consigliati fino a 350 W. Ad esempio, con un 230-VAC ingresso di rete, i circuiti PFC basati su NCP1680 sono in grado di raggiungere un'efficienza vicina al 99% a 300 W.

TI ha anche presentato un controller DC/DC integrato che riduce le emissioni condotte e le dimensioni dell'alimentatore nelle applicazioni automobilistiche, industriali e di comunicazione. L'azienda afferma che questi sono i primi Controller DC/DC con filtro EMI attivo integrato (AEF) che aiutano gli ingegneri a progettare le soluzioni di alimentazione più piccole con bassa interferenza elettromagnetica (EMI). Oltre all'AEF integrato, la nuova famiglia di controller buck DC/DC sincroni — LM25149-Q1 e LM25149 — incorpora la tecnologia a doppio spettro di diffusione casuale, che aiuta ulteriormente a mitigare l'EMI.

Ci sono un paio di scenari con cui il nuovo the LM25149-Q1 ed LM25149 I controller DC/DC aiutano i progettisti di potenza. I dispositivi possono dimezzare l'area del filtro EMI esterno e ridurre l'EMI condotta del progetto di alimentazione fino a 55 dBµV su più bande di frequenza o ottenere una combinazione di dimensioni ridotte del filtro e bassa EMI, secondo TI.

L'AEF integrato, riducendo il carico di filtraggio sugli elementi passivi, riduce le dimensioni, il volume e il costo del filtro EMI passivo, consentendo agli ingegneri di ottenere il design a bassa potenza EMI più piccolo possibile, ha affermato TI. L'AEF integrato può ridurre le dimensioni dei filtri EMI fino al 50% in area e fino al 75% in volume. I controller buck sono inoltre dotati di sincronizzazione della frequenza con un clock esterno, che riduce ulteriormente l'EMI.

Altre caratteristiche che aiutano ad aumentare la densità di potenza includono il funzionamento bifase interlacciato e l'integrazione del diodo bootstrap, la compensazione del circuito e i componenti di feedback della tensione di uscita. TI ha notato che gli ingegneri hanno la possibilità di utilizzare il feedback esterno e la compensazione del ciclo per ottimizzare ulteriormente i loro progetti.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, ora parte di Massima Integrated Products Inc., presentata prima dell'APEC e progetto di riferimento dell'utensileria di fine braccio per la robotica industriale e il servocontrollore/driver ad asse singolo con controllo di movimento integrato.

L'open-source TMCM-1617-IMPUGNATURA-RIF il progetto di riferimento integra il controllo orientato al campo (FOC) basato su hardware e tre porte di comunicazione, che supportano la comunicazione industriale EtherCAT, IO-Link o RS-485. Il progetto di riferimento presenta il livello industriale di Maxim Integrated MAX22000 ingresso/uscita analogici configurabili ad alta precisione e MAX14906 ingresso/uscita digitale a quattro canali per regolare le molteplici modalità del Trinamic TMCM-1617 servoazionamento ad asse singolo.

Trinamic ha affermato che il design riduce di 3 volte le dimensioni delle pinze robotiche riducendo della metà i tempi di sviluppo, grazie alla piattaforma hardware intelligente e completamente integrata che fornisce algoritmi di controllo del motore e stack di protocolli. Tutte queste caratteristiche (FOC basato su hardware, ingressi/uscite configurabili tramite software e tre stack di protocolli di comunicazione) si inseriscono in una soluzione compatta dalle dimensioni di 4,197 mm².

Informazioni su EPC (Efficient Power Conversion)GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorIntegrazioni di alimentazioneTexas InstrumentsTRINAMIC