Applied Power Electronics Conference＆Exposition（APEC 2021）でのテクニカルセッションは、業界全体の主要な電力トレンド、つまり、より高い効率、改善された熱管理、および小型化の需要を反映していました。 これらの要件は、自動車、産業、モバイルデバイス、データセンター、再生可能エネルギーなど、さまざまな業界で見られます。
これらの課題に対処するために、電力設計者はワイドバンドギャップ（WBG）半導体に目を向けています。これは、ショーで取り上げられた多数のWBGデバイスによって強調されました。 炭化ケイ素（SiC）と窒化ガリウム（GaN）の両方のWBGデバイスは、パワーデバイス市場の成長セグメントです。 これらのデバイスは、バンドギャップが大きく、伝導損失が小さい、電気自動車（EV）、電気通信、再生可能エネルギーで家を見つけるなど、シリコンに勝る固有の利点を提供します。
同時に、過酷な産業環境に対応するパワーデバイスの需要も高まっています。 これらのデバイスの多くは、全体的な効率の向上とボードスペースの削減に重点を置いています。
APEC2021で取り上げられたパワーデバイスの抜粋です。
WBGデバイス
SiC テクノロジー シリコンは、より優れたスイッチングや熱性能の向上など、シリコンに勝るいくつかの利点により、EV に大きく浸透しており、これにより高効率、高電力密度、小型化が実現されています。 EV 用の最新の SiC デバイスの XNUMX つは ON から提供されています 半導体。 同社はいくつかを展示しました SiCソリューション、650 VSiCを含む MOSFET および1,200Vおよび900VのNチャネルSiCMOSFET。 同社はまた、オフボードEV充電に関するいくつかのセミナーを主催しました。
ONのXNUMXつ 半導体のEV向け最新SiC製品は、 1,200 V SiC モスフェット XNUMXパックモジュール。 これらのモジュールは、プレーナーテクノロジーに基づいており、 電圧 範囲は18〜20Vです。デバイスは負のゲート電圧で簡単に駆動できると同社は述べています。
オン・セミコンダクターの1,200V SiC MOSFET EV充電用モジュール。 (出典: オン・セミコンダクター)
EV充電ステーションアプリケーション向けに設計され、XNUMXパックのハーフブリッジとして構成されています。 NXH010P120MNF1 はF10パッケージに収容された1mΩのデバイスですが、 NXH006P120MNF2 F6パッケージの2mΩデバイスです。 パッケージには圧入ピンが付いているため、産業用アプリケーションにも適しています。
SiC MOSFETモジュールは、温度監視用の負の温度係数（NTC）サーミスタも組み込まれています。 EV充電に加えて、これらのデバイスは、ソーラーインバーター、無停電電源装置、およびエネルギー貯蔵システムで使用できます。
SiC技術がEV市場で進歩している一方で、APECで取り上げられているWBGデバイスの多くはGaN技術に基づいています。 GaNデバイスは、サイズが小さい、熱伝導率が高い、効率が高いなど、シリコンに比べていくつかの利点があります。 Efficient Power Conversion（EPC）、GaN Systems、Nexperia、Power Integrations、TexasInstrumentsの例をいくつか紹介します。
EPCは、最新のエンハンスメントモードGaNベースの電界効果トランジスタ（eGaN FET）と、高電力密度コンピューティング、自動車、e-モビリティ、およびロボット工学用のICを展示しました。 同社はまた、eGaNFETとICを取り上げたいくつかの技術セッションを主催しました。
新製品には、次のような48Vバス配電製品が含まれます。 EPC9137、1.5 kW 48相12〜XNUMXV双方向 コンバータ 非常に小さなフットプリントで97％の効率で動作します。 EPC9137 DC / DCコンバータは、シリコンMOSFETソリューションと比較して、3倍高速で、35％以上小型軽量で、1.5％以上高い効率であると言われています。
EPC は、3 つのコンバータを並列接続して 4.5 kW を実現したり、2206 つのコンバータを並列接続して 100 kW を実現したりできるスケーラブルなデモ ボードも提供しています。 このボードには XNUMX つの EPCXNUMX XNUMX V eGaN FET が搭載されており、 モジュール これには、Microchip dsPIC33CK256MP503 16 ビット デジタル コントローラが含まれます。
EPC eGaN FETは、97 kHzのスイッチング周波数で250％の効率で動作でき、シリコンベースのソリューションと比較して800 W /相を可能にします。 さらに、効率を高めながら、3.5kWコンバーターの相数をXNUMXからXNUMXに減らすことが可能であると同社は付け加えた。
同社はまた、80Vおよび200VのeGaNFETポートフォリオの拡大を発表しました。 これには、 EPC2065 & EPC2054 eGaNFET。
GaN Systemsは、携帯電話やラップトップPCの充電器からEVまで、さまざまなアプリケーション向けの最新のGaNベースのソリューションをデモしました。 3つの解決策は、高密度で高効率のGaNベースのXNUMX kWLLC共振コンバーターのリファレンスデザインです（GS-EVB-LLC-3KW-GS）、データセンター、テレコム、および産業用スイッチモード電源（SMPS）アプリケーションを対象としています。 フルブリッジLLC共振コンバーターの設計、会社の統合 650Vのeモードトランジスタは、電源ユニットの80 PLUS Titanium規格を超えており、100 W / inを超える高電力密度（AC / DC PSU）を実現します。3 そして96％以上の高効率。
GaN Systemsはまた、以下を含むいくつかの消費者向け充電器製品のデモを行いました。 100WデュアルUSB-CインテリジェントPDGaN充電器 と高効率の例 GaNベースの65-WQR & 65 Wアクティブクランプフライバック（ACF） 充電器。 自動車の場合、同社は 自動車グレードの650V、60Aトランジスタ、高電力、低損失、高信頼性の要件を満たしています。
Nexperiaは、CCPAK表面実装パッケージとともに、650Vデバイスに焦点を当てたパワーGaNFETファミリを強調しました。 最新の新製品のいくつかには、その第XNUMX世代が含まれます 650VパワーGaNFETデバイスファミリ、サーバーおよび通信電源を対象としています。
650 V GaN FETは、80kWから2kWで動作する10PLUSチタンクラス電源（単相AC / DCおよびDC / DC産業用SMPS）に適合し、Rを備えています。DS（オン） 35mΩまで（標準）。 また、同じ電力範囲のソーラーインバーターとサーボドライブで使用することもできます。
TO-650パッケージに収容された2VH247パワーGaNFETは、特定のRに対してダイサイズを36％縮小します。DS（オン） 安定性と効率を向上させる価値があると同社は語った。 さらに、カスコード構成により、複雑なドライバーが不要になり、市場投入までの時間が短縮されます。
Nexperiaはまた提供します 範囲 次世代の高電圧GaNHEMT H2テクノロジーを搭載し、自動車、5G、およびデータセンターのアプリケーションを対象としたGaNFETデバイスの概要。 これらのデバイスは、標準のTO-247と、銅製クリップを備えた同社独自のCCPAK表面実装パッケージに収納されています。
Power IntegrationsのInnoSwitch4-GaNテクノロジーを搭載したCZフライバックスイッチャーIC（出典：Power Integrations）
Power Integrationsは、APECセッションをBLDCモータードライバーソリューション、設計自動化ツール、およびPowiGaNデバイスに集中させました。 PowiGaNデバイスファミリの最新のもののXNUMXつは、 InnoSwitch4-CZ 新しいクラスの超小型モバイル充電デバイスを対象とした、GaNテクノロジーを備えたフライバックスイッチャーIC。
InnoSwitch4-CZ 高周波ゼロ電圧スイッチングフライバックスイッチャーICのファミリーには、同社のPowiGaNテクノロジーを使用した750 Vプライマリスイッチと新しい高周波ACFコントローラーが組み込まれており、電話用の新しいクラスの超小型で超効率的な充電器を実現します。 、タブレット、およびラップトップ。
InnoSwitch4-CZとClampZeroアクティブクランプコンボは、最大95％の効率を提供し、古いACFアプローチと比較して、線間電圧、システム負荷、および出力電圧の変動全体で非常に高い効率を維持します。
いくつかの技術セッションに加えて、テキサスインスツルメンツ社がAPECで強調した注目の製品の中には、そのGaNFETがあります。 昨年XNUMX月、TIは最初の自動車を主張しました GaNFET 統合されたドライバー、保護、および自動車および産業用アプリケーション向けのアクティブパワー管理を備えています。 その拡大 高電圧GaNFET電力管理ポートフォリオ、新しい650-Vおよび 600-V GaNFET TIによると、既存のソリューションと比較して、99倍の電力密度を実現し、XNUMX％の効率を達成します。
さらに、TMS2000F320xやTMS2838F320xなどのC28004リアルタイムマイクロコントローラの高度な制御機能と組み合わせると、LMG3522R030-Q1 GaN FET 1MHzを超えるスイッチング周波数を有効にします TIによると、電力変換器では、既存のシリコンおよびSiCソリューションと比較して磁気サイズを59％削減します。
高速スイッチングの2.2MHz統合ゲートドライバにより、 GaNFET また、内部保護と温度検知を統合し、電力管理設計のボードスペースを削減します。 この統合とTI独自のGaNテクノロジーの高電力密度により、エンジニアはディスクリートソリューションに通常必要とされる10を超えるコンポーネントを排除できるとTIは述べています。 さらに、新しい30mΩFETのそれぞれは、ハーフブリッジ構成で適用された場合、最大4kWの電力変換をサポートできます。
TIによると、自動車用GaN FETは、EVオンボード充電器とDC / DCコンバーターのサイズを既存のシリコンまたはSiCソリューションと比較して最大50％削減し、EVのバッテリー範囲を拡大し、システムの信頼性を高め、コストを削減できると述べています。 。
TIによると、産業用アプリケーションの場合、新しいデバイスは、低損失とボードスペースの削減が重要なAC / DC電力供給アプリケーションで高効率と電力密度を実現します。 アプリケーションには、ハイパースケールおよびエンタープライズコンピューティングプラットフォーム、ならびに5Gテレコム整流器が含まれます。
産業用電力
インフィニオンテクノロジーズAGは、今年APECで、シリコンからWBGデバイスに至るまで、コンピューティングやデータセンターから再生可能エネルギーやe-モビリティに至るまでの幅広いアプリケーションをカバーする多数の電力管理ソリューションを紹介しました。 同社はまた、産業用電力およびモーター制御製品ラインを強調しました。
インフィニオンが紹介したデバイスのXNUMXつは、最新のデバイスです。 アイスドライバー 製品ポートフォリオ、 6EDL7141 バッテリ駆動の民生用および産業用アプリケーションにおける高度なモーター制御用の三相ゲートドライバIC。 より高い電力密度と改善されたシステム効率を提供することを目的とした、高度なモーター制御アプリケーション向けのプログラム可能なソリューションは、48×7mm²のフットプリントを持つ7ピンVQFNにパッケージ化されています。 インフィニオンと組み合わせると パワーMOSFET、デバイスは完全なソリューションを提供します。
EiceDRIVER 6EDL7141の主な機能には、ゲートドライブ出力構成用のSPIインターフェース、統合電源、およびすべてのシステム機能を供給するデュアルチャージポンプが含まれます。 5.5〜60Vの動作電圧範囲と最大1.5Aの構成可能な駆動電流のおかげで、デバイスは広範囲のMOSFETを駆動できます。 また、7 V、10 V、12 V、および15Vの間で調整可能なゲートドライバー供給電圧設定を提供します。
統合された降圧装置 レギュレーター 外部のみが必要です コンデンサ & 誘導子 インフィニオンは、マイクロコントローラーとモーターのホールセンサーの両方に電力を供給するため、ボードスペースと必要な外付け部品の数を削減すると述べています。
オン・セミコンダクターは、産業用アプリケーション向けにいくつかの統合パワーモジュールを発売しました。 XNUMXつの新しい 統合されたコンバーター-インバーター力率補正（PFC）モジュール 産業用モータードライブ、サーボドライブ、およびHVAC用に設計されており、ファンやポンプなどのアプリケーションのモーターを駆動するために使用されます。
NXH50M65L4C2SG & NXH50M65L4C2ESG は、高出力電力を備えた頑丈な産業用アプリケーションを対象とした、トランスファー成形された電力統合モジュールです。
NXH50M65L4C2SGおよびNXH50M65L4C2ESG、標準の酸化アルミニウム（Al2O3）基板と強化された低熱抵抗基板には、それぞれコンバーター-インバーター-PFCが含まれています 回路 75 つの 1,600 A、50 V 整流器を備えた単相コンバータで構成されます。 三相インバータ (NXH65M4L2C50ESG) は 600 つの XNUMX A、XNUMX V を使用します。 IGBTデュアル チャネル インターリーブ PFC (NXH50M65L4C2SG) には、逆ダイオードを備えた 75 つの 650 A、50 V PFC IGBT と 650 つの XNUMX A、XNUMX V PFC ダイオードが統合されています。 NTC サーミスタが組み込まれており、動作中のデバイス温度の監視が可能です。
オン・セミコンダクターによると、事前に組み立てられ最適化されたモジュールのおかげで、ディスクリートPCBベースの設計と比較して寄生要素が非常に小さく、18 kHz〜65kHzの広いPFCスイッチング周波数範囲が可能です。
オン・セミコンダクターの超高密度オフライン電源用のNCP1680トーテムポールPFCコントローラー（出典：オン・セミコンダクター）
オン・セミコンダクターはまた、超高密度オフライン電源用の業界初のトーテムポールPFCコントローラーを主張しました。 ザ・ NCP1680 臨界伝導モードのトーテムポールPFCコントローラーは、実績のある制御アルゴリズムとともに、新しい電流制限アーキテクチャとライン位相検出を使用します。
整流器のブリッジダイオードをトーテムポール構成のスイッチに置き換え、「ブーストPFC機能を引き込む」ことにより、NCP1680はブリッジ損失を減らし、全体的な効率を向上させることができると同社は述べています。 さらに、NCP1680は、スーパージャンクションシリコンMOSFETやSiCやGaNデバイスなどのWBGスイッチなど、あらゆる種類のスイッチをサポートできます。
統合デバイスは、最大5 Wの推奨電力レベルでユニバーサルメイン（90〜265 VAC）で動作する、テレコム350G、産業用、および高性能コンピューティングの電源設計で使用できます。例として、230 VAC主電源入力、NCP1680に基づくPFC回路は、99 Wで300％近くの効率を達成することができます。
TIはまた、自動車、産業、および通信アプリケーションで伝導性エミッションと電源サイズを削減する統合DC / DCコントローラーを展示しました。 同社は、これらが最初のものであると主張しています アクティブEMIフィルター（AEF）が統合されたDC / DCコントローラー これは、エンジニアが低電磁干渉（EMI）を備えた最小の電源ソリューションを設計するのに役立ちます。 統合されたAEFに加えて、同期DC / DC降圧コントローラの新しいファミリであるLM25149-Q1およびLM25149には、EMIの軽減にさらに役立つデュアルランダムスペクトラム拡散テクノロジが組み込まれています。
AEFが統合されたTIのLM25149DC / DCコントローラー（出典：Texas Instruments）
新しいシナリオがいくつかあります LM25149-Q1 & LM25149 DC / DCコントローラーは、電力設計者を支援します。 TIによると、これらのデバイスは、外部EMIフィルタの面積を半分に削減し、電力設計の伝導EMIを複数の周波数帯域で55 dBµVまで下げるか、フィルタサイズの縮小と低EMIの組み合わせを実現できます。
統合されたAEFは、パッシブエレメントのフィルタリング負荷を軽減することにより、パッシブEMIフィルターのサイズ、ボリューム、およびコストを削減し、エンジニアが可能な限り最小の低EMI電力設計を実現できるようにします。 統合されたAEFは、EMIフィルターのサイズを面積で最大50％、体積で最大75％削減できます。 降圧コントローラは、外部クロックへの周波数同期も備えており、EMIをさらに低減します。
電力密度の向上に役立つその他の機能には、インターリーブされたXNUMX相動作、ブートストラップダイオードの統合、ループ補償、および出力電圧フィードバックコンポーネントが含まれます。 TIは、エンジニアには外部フィードバックとループ補償を使用して設計をさらに最適化するオプションがあると述べました。
Trinamicの産業用ロボット用のエンドオブアームツーリングリファレンスデザイン（出典：Trinamic）
Trinamic Motion Control GmbH＆Co。KG、現在は マキシム APECに先駆けて導入されたIntegratedProducts Inc. エンドオブアームツーリングリファレンスデザイン 産業用ロボットおよび統合モーションコントロールを備えた単軸サーボコントローラー/ドライバー用。
オープンソース TMCM-1617-グリップ-REF リファレンスデザインは、ハードウェアベースのフィールド指向制御（FOC）と485つの通信ポートを統合し、産業用EtherCAT、IO-Link、またはRS-XNUMX通信をサポートします。 リファレンスデザインは、マキシム・インテグレーテッドのインダストリアルグレードを特徴としています MAX22000 高精度の構成可能なアナログ入力/出力および MAX14906 Trinamicの複数のモードを調整するためのクアッドチャンネルデジタル入力/出力 TMCM-1617 単軸サーボドライバ。
Trinamicによると、この設計では、モーター制御アルゴリズムとプロトコルスタックを提供する完全に統合されたインテリジェントなハードウェアプラットフォームのおかげで、ロボットグリッパーのサイズが3分の4,197に縮小され、開発時間が半分に短縮されます。 これらの機能（ハードウェアベースのFOC、ソフトウェアで構成可能な入力/出力、およびXNUMXつの通信プロトコルスタック）はすべて、XNUMXmmのコンパクトなソリューションサイズに適合します。2.
Efficient Power Conversion（EPC）についてGaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorPower IntegrationsTexas InstrumentsTRINAMIC