Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021)의 기술 세션은 산업 전반에 걸친 주요 전력 추세 인 고효율, 개선 된 열 관리 및 소형화에 대한 수요를 반영했습니다. 이러한 요구 사항은 자동차, 산업, 모바일 장치, 데이터 센터 및 재생 에너지와 같은 산업 전반에서 볼 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 전력 설계자는 WBG (wide-bandgap) 반도체로 눈을 돌리고 있습니다.이 반도체는 전시회에 등장한 여러 WBG 장치에 의해 강조되었습니다. 실리콘 카바이드 (SiC)와 질화 갈륨 (GaN) 인 WBG 디바이스는 전력 디바이스 시장에서 성장하는 부분입니다. 이러한 장치는 높은 밴드 갭 및 낮은 전도 손실, 전기 자동차 (EV), 통신 및 재생 에너지에서 집을 찾는 등 실리콘에 비해 고유 한 이점을 제공합니다.
동시에 열악한 산업 환경을 충족하는 전력 장치에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 장치의 대부분은 전반적인 효율성을 개선하고 보드 공간을 줄이는 데 중점을 둡니다.
다음은 APEC 2021에서 선보인 다양한 전원 장치입니다.
WBG 장치
SiC technology 더 나은 스위칭, 향상된 열 성능, 더 높은 효율성, 더 높은 전력 밀도 및 더 작은 크기를 포함하여 실리콘에 비해 여러 가지 장점 덕분에 EV에 큰 진출을 하고 있습니다. EV용 최신 SiC 장치 중 하나가 ON에서 출시되었습니다. 반도체. 회사는 여러 SiC 솔루션, 650V SiC 포함 MOSFET 1,200V 및 900V N 채널 SiC MOSFET이 있습니다. 이 회사는 또한 오프 보드 EV 충전에 대한 여러 세미나를 주최했습니다.
ON XNUMX개 반도체EV용 SiC 최신 제품은 1,200V SiC 이끼 XNUMX 팩 모듈. 평면 기술을 기반으로 한 이러한 모듈은 전압 이 장치는 네거티브 게이트 전압으로 구동하기가 쉽다고 회사는 말했다.
ON Semiconductor의 1,200V SiC MOSFET 전기차 충전용 모듈. (출처: 온세미컨덕터)
EV 충전소 애플리케이션 용으로 설계되고 XNUMX 팩 하프 브리지로 구성된 NXH010P120MNF1 F10 패키지에 들어있는 1mΩ 장치 인 반면 NXH006P120MNF2 F6 패키지의 2mΩ 장치입니다. 이 패키지에는 압입 핀이있어 산업용 애플리케이션에도 적합합니다.
SiC MOSFET 모듈은 또한 온도 모니터링을 위해 내장 된 NTC (negative temperature coefficient) 서미스터를 갖추고 있습니다. EV 충전 외에도 이러한 장치는 태양 광 인버터, 무정전 전원 공급 장치 및 에너지 저장 시스템에 사용할 수 있습니다.
SiC 기술이 EV 시장에서 진전을 이루고있는 동안 APEC에 등장하는 많은 WBG 장치는 GaN 기술을 기반으로합니다. GaN 장치는 더 작은 크기, 더 높은 열전도율 및 높은 효율성을 포함하여 실리콘에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다. EPC (Efficient Power Conversion), GaN 시스템, Nexperia, Power Integrations 및 Texas Instruments의 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
EPC는 최신 강화 모드 GaN 기반 전계 효과 트랜지스터 (eGaN FET) 및 고전력 밀도 컴퓨팅, 자동차, e- 모빌리티 및 로봇 공학을위한 IC를 선보였습니다. 이 회사는 또한 eGaN FET 및 IC를 특징으로하는 여러 기술 세션을 주최했습니다.
신제품에는 다음과 같은 48V 버스 배전 제품이 포함됩니다. EPC9137, 1.5kW 48 상 12 ~ XNUMXV 양방향 변환기 매우 작은 설치 공간에서 97 %의 효율성으로 작동합니다. EPC9137 DC / DC 컨버터는 실리콘 MOSFET 솔루션에 비해 3 % 더 높은 효율로 35 배 더 빠르고 1.5 % 이상 더 작고 가볍습니다.
EPC는 또한 3개의 컨버터를 병렬로 연결하여 4.5kW를 달성하거나 2206개의 컨버터를 병렬로 연결하여 100kW를 달성할 수 있는 확장 가능한 데모 보드를 제공합니다. 이 보드는 XNUMX개의 EPCXNUMX XNUMX-V eGaN FET를 갖추고 있으며 모듈 여기에는 Microchip dsPIC33CK256MP503 16비트 디지털 컨트롤러가 포함되어 있습니다.
EPC eGaN FET는 97kHz 스위칭 주파수에서 250 % 효율로 작동 할 수있어 실리콘 기반 솔루션에 비해 800W / 위상이 가능하다고 EPC는 말했다. 또한 효율을 높이면서 3.5kW 컨버터의 경우 위상 수를 XNUMX 개에서 XNUMX 개로 줄일 수 있다고 회사는 덧붙였다.
이 회사는 또한 80V 및 200V eGaN FET 포트폴리오의 확장을 발표했습니다. 여기에는 EPC2065 와 EPC2054 eGaN FET.
GaN Systems는 휴대폰 및 노트북 PC 충전기에서 EV에 이르기까지 다양한 애플리케이션을위한 최신 GaN 기반 솔루션을 시연했습니다. 한 가지 솔루션은 고밀도, 고효율 GaN 기반 3kW LLC 공진 컨버터 (GS-EVB-LLC-3KW-GS), 데이터 센터, 통신 및 산업용 스위치 모드 전원 공급 장치 (SMPS) 애플리케이션을 대상으로합니다. 풀 브리지 LLC 공진 컨버터 설계, 회사의 650V e- 모드 트랜지스터, 전원 공급 장치에 대한 80 PLUS Titanium 표준을 초과하여 100W / in 이상의 높은 전력 밀도 (AC / DC PSU)를 달성합니다.3 96 % 이상의 고효율.
GaN Systems는 또한 다음을 포함한 여러 소비자 충전기 제품을 시연했습니다. 100W 듀얼 USB-C 지능형 PD GaN 충전기 고효율의 예 GaN 기반 65W QR 와 65W 액티브 클램프 플라이 백 (ACF) 충전기. 자동차의 경우이 회사는 자동차 등급 650V, 60A 트랜지스터, 높은 전력, 저손실 및 높은 신뢰성에 대한 요구 사항을 충족합니다.
Nexperia는 자사의 CCPAK 표면 실장 패키징과 함께 650V 장치에 초점을 맞춘 전력 GaN FET 제품군을 강조했습니다. 최신 신제품 중 일부에는 XNUMX 세대 650V 전력 GaN FET 디바이스 제품군, 서버 및 통신 전원 공급 장치를 대상으로합니다.
650V GaN FET는 80kW ~ 2kW에서 작동하는 10 PLUS Titanium 급 전원 공급 장치 (단상 AC / DC 및 DC / DC 산업용 SMPS)를 충족하며 RDS (온) 최저 35mΩ (일반). 또한 동일한 전력 범위의 태양 광 인버터 및 서보 드라이브에도 사용할 수 있습니다.
TO-650 패키징에 내장 된 2V H247 전력 GaN FET는 주어진 R에 대해 다이 크기에서 36 % 축소를 제공합니다.DS (온) 더 나은 안정성과 효율성을위한 가치라고 회사는 말했습니다. 또한 cascode 구성은 복잡한 드라이버가 필요하지 않으므로 출시 시간이 단축됩니다.
Nexperia는 또한 제공합니다 범위 자동차, 2G 및 데이터 센터 애플리케이션을 대상으로하는 차세대 고전압 GaN HEMT H5 기술을 특징으로하는 GaN FET 디바이스. 이 장치는 표준 TO-247과 구리 클립이있는 회사의 독점 CCPAK 표면 실장 패키징에 보관됩니다.
GaN 기술이 적용된 Power Integrations의 InnoSwitch4-CZ 플라이 백 스위처 IC (출처 : Power Integrations)
Power Integrations는 BLDC 모터 드라이버 솔루션, 설계 자동화 도구 및 PowiGaN 장치에 대한 APEC 세션에 집중했습니다. PowiGaN 장치 제품군의 최신 제품 중 하나는 이노스위치4-CZ 새로운 차원의 초소형 모바일 충전 장치를 대상으로하는 GaN 기술이 적용된 플라이 백 스위처 IC.
XNUMXD덴탈의 이노스위치4-CZ 고주파, 제로 전압 스위칭 플라이 백 스위처 IC 제품군은 회사의 PowiGaN 기술을 사용하는 750V XNUMX 차 스위치와 새로운 고주파 ACF 컨트롤러를 통합하여 새로운 등급의 초소형 및 초 고효율 전화기 충전기를 가능하게합니다. , 태블릿 및 노트북.
InnoSwitch4-CZ 및 ClampZero 액티브 클램프 콤보는 최대 95 %의 효율성을 제공하고 이전 ACF 접근 방식과 비교하여 라인 전압, 시스템 부하 및 출력 전압의 변동에 걸쳐 매우 높은 효율성을 유지합니다.
여러 기술 세션과 함께 Texas Instruments Inc.가 APEC에서 강조한 주요 제품 중에는 GaN FET가 있습니다. 지난 XNUMX 월 TI는 최초의 자동차 GaN FET 자동차 및 산업용 애플리케이션을위한 통합 드라이버, 보호 및 능동 전력 관리 기능이 있습니다. 그것의 확장 고전압 GaN FET 전력 관리 포트폴리오, 새로운 650-V 및 600 대 GaN FET TI는 기존 솔루션에 비해 두 배의 전력 밀도를 제공하고 99 %의 효율성을 달성합니다.
또한 TMS2000F320x 또는 TMS2838F320x, LMG28004R3522-Q030 GaN FET와 같은 C1 실시간 마이크로 컨트롤러의 고급 제어 기능과 결합 할 경우 1MHz 이상의 스위칭 주파수 활성화 TI는 전력 컨버터에서 자기 소자 크기를 기존 실리콘 및 SiC 솔루션에 비해 59 %까지 줄였습니다.
빠른 스위칭, 2.2MHz 통합 게이트 드라이버를 사용하면 GaN FET 또한 내부 보호 및 온도 감지 기능을 통합하여 전력 관리 설계에서 보드 공간을 줄일 수 있습니다. TI의 독점 GaN 기술의 높은 전력 밀도와 함께 이러한 통합을 통해 엔지니어는 개별 솔루션에 일반적으로 필요한 10 개 이상의 구성 요소를 제거 할 수 있습니다. 또한 각각의 새로운 30mΩ FET는 하프 브리지 구성에 적용될 때 최대 4kW의 전력 변환을 지원할 수 있습니다.
TI는 자동차 용 GaN FET가 기존 실리콘 또는 SiC 솔루션에 비해 EV 온보드 충전기 및 DC / DC 컨버터의 크기를 최대 50 %까지 줄여 EV에 확장 된 배터리 범위, 향상된 시스템 안정성 및 저렴한 비용을 제공 할 수 있다고 말했습니다. .
산업 애플리케이션의 경우 새로운 장치는 낮은 손실과 감소 된 보드 공간이 중요한 AC / DC 전력 공급 애플리케이션에서 높은 효율과 전력 밀도를 가능하게한다고 TI는 말했다. 애플리케이션에는 하이퍼 스케일 및 엔터프라이즈 컴퓨팅 플랫폼과 5G 통신 정류기가 포함됩니다.
산업 전력
Infineon Technologies AG는 올해 APEC에서 실리콘에서 WBG 장치에 이르는 다양한 전력 관리 솔루션을 선보였으며 컴퓨팅 및 데이터 센터에서 재생 에너지 및 e- 모빌리티에 이르는 다양한 애플리케이션을 포괄합니다. 이 회사는 또한 산업용 전력 및 모터 제어 제품 라인을 강조했습니다.
Infineon이 선보인 장치 중 하나는 아이스드라이버 제품 포트폴리오, 6EDL7141 배터리 전원을 사용하는 소비자 및 산업용 애플리케이션에서 고급 모터 제어를위한 48 상 게이트 드라이버 IC입니다. 더 높은 전력 밀도와 향상된 시스템 효율성을 제공하는 것을 목표로하는 고급 모터 제어 애플리케이션을위한 프로그래밍 가능 솔루션은 7 × 7mm² 풋 프린트의 XNUMX 핀 VQFN 패키지로 제공됩니다. Infineon과 결합하면 전력 MOSFET, 장치는 완벽한 솔루션을 제공합니다.
EiceDRIVER 6EDL7141의 주요 기능에는 게이트 드라이브 출력 구성을위한 SPI 인터페이스, 통합 전원 공급 장치 및 모든 시스템 기능을 제공하는 이중 충전 펌프가 포함됩니다. 5.5 ~ 60V의 작동 전압 범위와 최대 1.5A의 구성 가능한 구동 전류 덕분에이 장치는 광범위한 MOSFET을 구동 할 수 있습니다. 또한 7V, 10V, 12V 및 15V 사이에서 조정 가능한 게이트 드라이버 공급 전압 설정을 제공합니다.
통합 벅 조정기 외부만 필요 콘덴서 와 성직 수 여자 모터의 마이크로 컨트롤러와 홀 센서 모두에 전력을 공급하기 위해 보드 공간과 필요한 외부 부품의 수를 줄여주는 인피니언이 말했다.
ON Semiconductor는 산업용 애플리케이션을위한 몇 가지 통합 전원 모듈을 출시했습니다. 두 가지 새로운 통합 컨버터-인버터 역률 보정 (PFC) 모듈 산업용 모터 드라이브, 서보 드라이브 및 HVAC 용으로 설계되었으며 팬 및 펌프를 포함한 애플리케이션 용 모터를 구동하는 데 사용됩니다.
XNUMXD덴탈의 NXH50M65L4C2SG 와 NXH50M65L4C2ESG 고출력 전력으로 견고한 산업용 애플리케이션을 대상으로하는 트랜스퍼 몰드 전력 통합 모듈입니다.
NXH50M65L4C2SG 및 NXH50M65L4C2ESG는 표준 산화 알루미늄 (Al2O3) 기판과 향상된 저열 저항 기판은 각각 컨버터-인버터 -PFC를 포함합니다. 회로 75개의 1,600A, 50V 정류기가 있는 단상 변환기로 구성됩니다. 65상 인버터(NXH4M2L50C600ESG)는 XNUMXA, XNUMXV XNUMX개를 사용한다. IGBT역다이오드가 있는 듀얼 채널 인터리브 PFC(NXH50M65L4C2SG)는 75개의 650A, 50V PFC IGBT와 역다이오드, 650개의 XNUMXA, XNUMXV PFC 다이오드를 통합합니다. 작동 중 장치 온도를 모니터링할 수 있도록 NTC 서미스터가 내장되어 있습니다.
사전 조립되고 최적화 된 모듈 덕분에 개별 PCB 기반 설계와 비교할 때 기생 요소가 매우 작아 18kHz에서 65kHz 사이의 넓은 PFC 스위칭 주파수 범위를 허용한다고 ON Semiconductor는 말했습니다.
초 고밀도 오프라인 전원 공급 장치를위한 ON Semiconductor의 NCP1680 토템폴 PFC 컨트롤러 (출처 : ON Semiconductor)
온 세미 컨덕터는 또한 초 고밀도 오프라인 전원 공급 장치를위한 업계 최초의 토템폴 PFC 컨트롤러를 주장했습니다. 그만큼 NCP1680 임계 전도 모드 토템폴 PFC 컨트롤러는 검증 된 제어 알고리즘과 함께 새로운 전류 제한 아키텍처 및 라인 위상 감지를 사용합니다.
NCP1680은 정류기 브리지 다이오드를 토템폴 구성의 스위치로 교체하고 "부스트 PFC 기능을 끌어 올림"으로써 브리지 손실을 줄이고 전반적인 효율성을 향상시킬 수 있다고 회사는 밝혔다. 또한 NCP1680은 초 접합 실리콘 MOSFET 또는 SiC 또는 GaN 장치와 같은 WBG 스위치를 포함한 모든 스위치 유형을 지원할 수 있습니다.
통합 장치는 최대 5W의 권장 전력 수준에서 범용 주전원 (90–265VAC)으로 작동하는 통신 350G, 산업용 및 고성능 컴퓨팅을위한 전원 공급 장치 설계에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 230VAC를 사용하는 경우 NCP1680을 기반으로하는 주전원 입력, PFC 회로는 99W에서 300 %에 가까운 효율을 달성 할 수 있습니다.
TI는 또한 자동차, 산업 및 통신 애플리케이션에서 전도 방출 및 전원 공급 장치 크기를 줄이는 통합 DC / DC 컨트롤러를 선보였습니다. 회사는 이것이 최초라고 주장합니다. 통합 액티브 EMI 필터 (AEF)가있는 DC / DC 컨트롤러 엔지니어가 낮은 전자기 간섭 (EMI)으로 가장 작은 전원 공급 장치 솔루션을 설계하는 데 도움이됩니다. 통합 AEF 외에도 새로운 동기식 DC / DC 벅 컨트롤러 제품군 인 LM25149-Q1 및 LM25149는 이중 랜덤 확산 스펙트럼 기술을 통합하여 EMI를 더욱 완화합니다.
AEF가 통합 된 TI의 LM25149 DC / DC 컨트롤러 (출처 : Texas Instruments)
몇 가지 시나리오가 있습니다. LM25149-Q1 와 LM25149 DC / DC 컨트롤러는 전력 설계자를 돕습니다. TI에 따르면이 장치는 외부 EMI 필터 영역을 절반으로 줄이고 전력 설계의 전도 EMI를 여러 주파수 대역에서 최대 55dBµV까지 낮추거나 감소 된 필터 크기와 낮은 EMI의 조합을 달성 할 수 있습니다.
통합 AEF는 수동 소자에 대한 필터링 부담을 줄임으로써 수동 EMI 필터의 크기, 부피 및 비용을 줄여 엔지니어가 가능한 가장 작은 EMI 전력 설계를 달성 할 수 있도록 해준다고 TI는 말했다. 통합 AEF는 EMI 필터의 크기를 면적에서 최대 50 %, 부피에서 75 %까지 줄일 수 있습니다. 벅 컨트롤러는 또한 외부 클록에 대한 주파수 동기화 기능을 제공하여 EMI를 더욱 감소시킵니다.
전력 밀도를 높이는 데 도움이되는 다른 기능으로는 인터리브 이중 위상 작동과 부트 스트랩 다이오드 통합, 루프 보상 및 출력 전압 피드백 구성 요소가 있습니다. TI는 엔지니어가 설계를 더욱 최적화하기 위해 외부 피드백 및 루프 보상을 사용할 수있는 옵션이 있다고 언급했습니다.
산업용 로봇 공학을위한 Trinamic의 end-of-arm 툴링 참조 설계 (출처 : Trinamic)
Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, 이제 격언 APEC에 앞서 소개 된 Integrated Products Inc. end-of-arm 툴링 레퍼런스 디자인 산업용 로봇 공학 및 통합 모션 제어 기능이있는 단축 서보 컨트롤러 / 드라이버 용.
오픈 소스 TMCM-1617- 그립 -REF 참조 설계는 하드웨어 기반 FOC (Field-Oriented Control) 및 485 개의 통신 포트를 통합하여 산업용 EtherCAT, IO-Link 또는 RS-XNUMX 통신을 지원합니다. 레퍼런스 디자인은 Maxim Integrated의 산업 등급 MAX22000 고정밀 구성 가능한 아날로그 입력 / 출력 및 MAX14906 Trinamic의 여러 모드를 조정하기위한 쿼드 채널 디지털 입력 / 출력 TMCM-1617 단일 축 서보 드라이버.
Trinamic은 모터 제어 알고리즘과 프로토콜 스택을 제공하는 완전히 통합 된 지능형 하드웨어 플랫폼 덕분에이 설계가 로봇 그리퍼의 크기를 3 배 줄이면서 개발 시간을 절반으로 줄 였다고 말했습니다. 이러한 모든 기능 (하드웨어 기반 FOC, 소프트웨어 구성 가능한 입력 / 출력 및 4,197 개의 통신 프로토콜 스택)은 XNUMXmm 크기의 컴팩트 한 솔루션 크기에 적합합니다.2.
EPC(Efficient Power Conversion) 정보 GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorPower IntegrationsTexas InstrumentsTRINAMIC