Perbincangan APEC: WBG dan tenaga industri menjadi tumpuan

Sesi teknikal di Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) mencerminkan aliran daya utama di seluruh industri: permintaan untuk kecekapan yang lebih tinggi, pengurusan haba yang lebih baik, dan miniaturisasi. Keperluan ini dilihat di seluruh industri - automotif, perindustrian, peranti mudah alih, pusat data, dan tenaga boleh diperbaharui.

Untuk memenuhi cabaran ini, pereka kuasa beralih ke semikonduktor lebar lebar (WBG), yang disorot oleh sejumlah peranti WBG yang dipaparkan di pameran itu. Peranti WBG, baik silikon karbida (SiC) dan gallium nitrida (GaN), adalah segmen pasaran peranti kuasa yang berkembang. Peranti ini menawarkan kelebihan yang wujud berbanding silikon, termasuk jurang pita yang lebih tinggi dan kehilangan konduksi yang lebih rendah, mencari rumah di kenderaan elektrik (EV), telekomunikasi, dan tenaga yang boleh diperbaharui.

Pada masa yang sama, terdapat permintaan yang meningkat untuk peranti kuasa yang memenuhi persekitaran industri yang keras. Sebilangan besar peranti ini difokuskan untuk meningkatkan kecekapan keseluruhan dan mengurangkan ruang papan.

Berikut adalah pilihan peranti kuasa yang dipaparkan di APEC 2021.

Peranti WBG

SiC teknologi sedang membuat kemajuan besar dalam EV berkat beberapa kelebihan berbanding silikon, termasuk pensuisan yang lebih baik dan prestasi terma yang lebih baik, diterjemahkan kepada kecekapan yang lebih tinggi, ketumpatan kuasa yang lebih tinggi dan saiz yang lebih kecil. Salah satu peranti SiC terbaharu untuk EV datang daripada ON Semikonduktor. Syarikat itu mempamerkan beberapa Penyelesaian SiC, termasuk 650-V SiC mosfet dan 1,200-V dan 900-V N-saluran SiC MOSFET. Syarikat ini juga menganjurkan beberapa seminar mengenai pengecasan EV di luar papan.

Dua daripada ON SemikonduktorProduk SiC terbaru yang bertujuan untuk EV ialah 1,200-V SiC mosfet modul dua pek. Modul-modul ini, berdasarkan teknologi planar, dapat mendorong a voltan berkisar antara 18-20 V. Peranti mudah dikendalikan dengan voltan pintu negatif, kata syarikat itu.

Direka untuk aplikasi stesen pengecasan EV dan dikonfigurasikan sebagai jambatan separuh dua pek, NXH010P120MNF1 adalah peranti 10-mΩ yang ditempatkan dalam pakej F1, sementara NXH006P120MNF2 adalah peranti 6-mΩ dalam pakej F2. Pakej-pakej itu mempunyai pin tekan-pas, menjadikannya juga sesuai untuk aplikasi industri.

Modul SiC MOSFET juga dilengkapi termistor pekali suhu negatif (NTC) tertanam untuk pemantauan suhu. Selain pengisian EV, peranti ini dapat digunakan dalam penyongsang suria, bekalan kuasa yang tidak terganggu, dan sistem penyimpanan tenaga.

Sementara teknologi SiC maju di pasar EV, banyak peranti WBG yang ditampilkan di APEC didasarkan pada teknologi GaN. Peranti GaN menawarkan beberapa kelebihan berbanding silikon, termasuk saiz yang lebih kecil, kekonduksian terma yang lebih tinggi, dan kecekapan tinggi. Berikut adalah beberapa contoh dari Penukaran Tenaga Efisien (EPC), Sistem GaN, Nexperia, Integrasi Daya, dan Instrumen Texas.

EPC mempamerkan transistor kesan medan berasaskan GaN mod peningkatan tambahan (eGaN FET) dan IC untuk pengkomputeran kepadatan tinggi, automotif, e-mobiliti, dan robotik. Syarikat ini juga mengadakan beberapa sesi teknikal yang menampilkan FET dan IC eGaNnya.

Produk baru merangkumi produk pengedaran kuasa bas 48-V seperti EPC9137, dua arah 1.5-kW 48- hingga 12-V dua arah Penukar yang beroperasi dengan kecekapan 97% dalam jejak yang sangat kecil. Penukar EPC9137 DC / DC dikatakan 3 × lebih cepat dan lebih 35% lebih kecil dan lebih ringan dengan kecekapan lebih tinggi daripada 1.5% lebih tinggi berbanding dengan penyelesaian MOSFET silikon.

EPC juga menawarkan papan demo berskala yang membolehkan dua penukar diselaraskan untuk mencapai 3 kW atau tiga penukar selari untuk mencapai 4.5 kW. Papan ini mempunyai empat EPC2206 100-V eGaN FET dan dikawal oleh modul yang termasuk pengawal digital 33-bit Microchip dsPIC256CK503MP16.

EPC eGaN FET dapat beroperasi dengan kecekapan 97% pada frekuensi beralih 250-kHz, memungkinkan 800 W / fasa dibandingkan dengan penyelesaian berasaskan silikon, kata EPC. Sebagai tambahan, adalah mungkin untuk mengurangkan jumlah fasa dari lima hingga empat untuk penukar 3.5-kW sambil meningkatkan kecekapan, tambah syarikat itu.

Syarikat itu juga mengumumkan pengembangan portfolio EGaN FET 80-V dan 200-Vnya. Ini merangkumi EPC2065 and EPC2054 FET eGaN.

GaN Systems menunjukkan penyelesaian berasaskan GaN terbarunya untuk pelbagai aplikasi, dari pengecas PC telefon bimbit dan komputer riba hingga EV. Salah satu penyelesaiannya adalah reka bentuk rujukan untuk penukar resonan 3-kW LLC berasaskan GaN berkepadatan tinggi dan berkecekapan tinggi (GS-EVB-LLC-3KW-GS), menargetkan pusat data, telekomunikasi, dan aplikasi bekalan kuasa mod peralihan industri (SMPS). Reka bentuk penukar resonan LLC jambatan penuh, mengintegrasikan syarikat Transistor mod e-650-V, melebihi standard 80 PLUS Titanium untuk unit bekalan kuasa, mencapai ketumpatan kuasa tinggi (AC / DC PSU) di atas 100 W / in.³ dan kecekapan tinggi lebih daripada 96%.

GaN Systems juga menunjukkan beberapa produk pengecas pengguna, termasuk Pengecas PD GaN 100-W dual USB-C pintar dan contoh kecekapan tinggi QR 65-W berasaskan GaN and Flyback pengapit aktif 65-W (ACF) pengecas. Untuk automotif, syarikat itu menonjolkan transistor gred automotif 650-V, 60-A, yang memenuhi syarat untuk daya tinggi, kehilangan rendah, dan kebolehpercayaan tinggi.

Nexperia menonjolkan kekuatan GaN FET, yang memfokuskan pada peranti 650-V, bersama dengan pembungkusan permukaan CCPAK. Beberapa produk baru terkini termasuk generasi kedua Keluarga peranti GaN FET berkuasa 650-V, menyasarkan bekalan kuasa pelayan dan telekomunikasi.

FET 650-V GaN memenuhi 80 bekalan kuasa kelas Titanium PLUS (satu fasa AC / DC dan DC / DC perindustrian SMPS) yang beroperasi pada 2 kW hingga 10 kW, dengan R_{DS (dihidupkan)} hingga 35 mΩ (tipikal). Mereka juga dapat digunakan dalam penyongsang solar dan pemacu servo dalam julat kuasa yang sama.

Gaet FET bertenaga 650-V H2, ditempatkan dalam pembungkusan TO-247, memberikan penyusutan 36% dalam ukuran mati untuk R tertentu_{DS (dihidupkan)} nilai untuk kestabilan dan kecekapan yang lebih baik, kata syarikat itu. Di samping itu, konfigurasi cascode menghilangkan keperluan pemandu yang rumit, mempercepat masa untuk memasarkan.

Nexperia juga menawarkan julat peranti GaN FET yang menampilkan teknologi GaN HEMT H2 voltan tinggi generasi seterusnya, yang mensasarkan aplikasi automotif, 5G, dan pusat data. Peranti ini dipasang pada standard TO-247 dan pembungkusan permukaan permukaan CCPAK milik syarikat dengan klip tembaga.

Power Integrations memfokuskan sesi APEC pada penyelesaian pemacu motor BLDC, alat automasi reka bentuk, dan peranti PowiGaN. Salah satu yang terbaru dalam keluarga peranti PowiGaN adalah InnoSwitch4-CZ IC pengalih terbang balik dengan teknologi GaN, menyasarkan kelas baru peranti pengecasan mudah alih ultra padat.

. InnoSwitch4-CZ keluarga IC pengalih terbang frekuensi tinggi, voltan sifar-beralih menggabungkan suis utama 750-V menggunakan teknologi PowiGaN syarikat dan pengawal ACF frekuensi tinggi baru untuk membolehkan kelas baru pengecas ultra-padat dan ultra-efisien untuk telefon , tablet dan komputer riba.

Kombo pengapit aktif InnoSwitch4-CZ dan ClampZero memberikan kecekapan hingga 95% dan mengekalkan kecekapan yang sangat tinggi di seluruh variasi voltan talian, beban sistem, dan voltan keluaran berbanding dengan pendekatan ACF yang lebih lama, kata Power Integrations.

Bersama dengan beberapa sesi teknikal, antara produk unggulan yang ditonjolkan oleh Texas Instruments Inc. di APEC adalah GaN FETnya. November lalu, TI menuntut automotif pertama FET GaN dengan pemacu, perlindungan, dan pengurusan daya aktif yang bersepadu untuk aplikasi automotif dan industri. Memperluasnya portfolio pengurusan kuasa GaN FET voltan tinggi, 650-V baru dan 600-v FET GaN memberikan ketumpatan kuasa dua kali ganda dan mencapai kecekapan 99% berbanding dengan penyelesaian yang ada, kata TI.

Di samping itu, apabila digabungkan dengan ciri kawalan canggih dalam mikrokontroler masa nyata C2000, seperti TMS320F2838x atau TMS320F28004x, LMG3522R030-Q1 GaN FET membolehkan frekuensi pensuisan lebih besar daripada 1 MHz dalam penukar kuasa, mengurangkan ukuran magnet sebanyak 59% berbanding penyelesaian silikon dan SiC yang ada, kata TI.

Dengan pemacu gerbang bersepadu berpindah pantas, 2.2-MHz, FET GaN juga menggabungkan perlindungan dalaman dan penginderaan suhu, yang membantu mengurangkan ruang papan dalam reka bentuk pengurusan kuasa. Integrasi ini, bersama dengan kekuatan tinggi teknologi GaN proprietari TI, membolehkan para jurutera menghilangkan lebih daripada 10 komponen yang biasanya diperlukan untuk penyelesaian diskrit, kata TI. Sebagai tambahan, masing-masing FET 30-mΩ baru dapat menyokong penukaran kuasa hingga 4 kW ketika digunakan dalam konfigurasi setengah jambatan.

TI mengatakan GaN FET automotif dapat membantu mengurangkan ukuran pengecas on-board EV dan penukar DC / DC sebanyak 50% berbanding dengan penyelesaian silikon atau SiC yang ada, yang menawarkan EV untuk rangkaian bateri yang diperpanjang, peningkatan kebolehpercayaan sistem, dan kos yang lebih rendah .

Untuk aplikasi perindustrian, peranti baru membolehkan kecekapan tinggi dan ketumpatan kuasa dalam aplikasi penyampaian kuasa AC / DC di mana kerugian rendah dan ruang papan berkurang penting, kata TI. Aplikasi merangkumi platform pengkomputeran skala besar dan perusahaan serta penerus telekomunikasi 5G.

Kuasa perindustrian

Infineon Technologies AG menampilkan sejumlah penyelesaian pengurusan kuasa di APEC tahun ini, mulai dari silikon hingga peranti WBG, yang merangkumi pelbagai aplikasi dari komputer dan pusat data hingga tenaga boleh diperbaharui dan e-mobiliti. Syarikat itu juga menonjolkan barisan produk kuasa dan kawalan motornya.

Salah satu peranti yang diketengahkan oleh Infineon adalah tambahan terkini PEMANDU Eice portfolio produk, yang 6EDL7141 IC pemacu gerbang tiga fasa untuk kawalan motor canggih dalam aplikasi pengguna dan perindustrian bertenaga bateri. Bertujuan memberikan kepadatan kuasa yang lebih tinggi dan kecekapan sistem yang lebih baik, penyelesaian yang dapat diprogram untuk aplikasi kawalan motor canggih dikemas dalam VQFN 48-pin dengan jejak 7 × 7-mm². Apabila digabungkan dengan Infineon's kuasa MOSFET, peranti menawarkan penyelesaian lengkap.

Ciri-ciri utama EiceDRIVER 6EDL7141 termasuk antara muka SPI untuk konfigurasi output pemacu gerbang, bekalan kuasa bersepadu, dan pam cas dua untuk membekalkan semua fungsi sistem. Terima kasih kepada julat voltan operasi dari 5.5 hingga 60 V dan arus pemanduan yang boleh dikonfigurasi hingga 1.5 A, peranti ini dapat menggerakkan pelbagai MOSFET. Ia juga menawarkan tetapan voltan bekalan pemandu gerbang yang boleh disesuaikan antara 7 V, 10 V, 12 V, dan 15 V.

Wang bersepadu pengatur hanya memerlukan luaran kapasitor and Peraruh untuk memberi kuasa untuk mikrokontroler dan sensor Hall di motor, kata Infineon, yang mengurangkan ruang papan dan jumlah komponen luaran yang diperlukan.

ON Semiconductor melancarkan beberapa modul kuasa bersepadu untuk aplikasi industri. Dua yang baru modul pembetulan faktor penukar (PFC) penukar-penyongsang direka untuk pemacu motor industri, servo drive, dan HVAC, di mana ia digunakan untuk menggerakkan motor untuk aplikasi termasuk kipas dan pam.

. NXH50M65L4C2SG and NXH50M65L4C2ESG adalah modul-modul yang disatukan dengan kuasa-pemindahan yang menyasarkan aplikasi industri yang lasak dengan daya output yang tinggi.

NXH50M65L4C2SG dan NXH50M65L4C2ESG, berdasarkan aluminium oksida standard (Al₂O₃) substrat dan substrat rintangan terma rendah yang dipertingkatkan, masing-masing, mengandungi penukar − penyongsang − PFC litar terdiri daripada penukar satu fasa dengan empat penerus 75-A, 1,600-V. Penyongsang tiga fasa (NXH50M65L4C2ESG) menggunakan enam 50-A, 600-V IGBTs dengan diod songsang, dan PFC berjalin dua saluran (NXH50M65L4C2SG) menyepadukan dua IGBT PFC 75-A, 650-V dengan diod songsang dan dua diod PFC 50-A, 650-V. Termistor NTC dibenamkan untuk membolehkan pemantauan suhu peranti semasa operasi.

Terima kasih kepada modul yang telah dipasang sebelumnya dan dioptimumkan, elemen parasit sangat kecil jika dibandingkan dengan reka bentuk berdasarkan PCB diskrit, kata ON Semiconductor, yang membolehkan julat frekuensi pensuisan PFC yang luas antara 18 kHz dan 65 kHz.

ON Semiconductor juga menuntut pengawal PFC totem-pole pertama di industri untuk bekalan kuasa luar berkepadatan ultra tinggi. The NCP1680 Pengawal PFC totem-pole mod kritikal-konduksi menggunakan seni bina had semasa dan pengesanan fasa baris bersama dengan algoritma kawalan yang terbukti.

Dengan mengganti dioda jambatan penerus dengan sakelar dalam konfigurasi tiang totem dan "menarik fungsi PFC peningkatan," NCP1680 dapat mengurangkan kerugian jambatan dan meningkatkan kecekapan keseluruhan, kata syarikat itu. Sebagai tambahan, NCP1680 dapat menyokong sebarang jenis suis, termasuk MOSFET silikon superjunction atau suis WBG seperti peranti SiC atau GaN.

Peranti bersepadu dapat digunakan dalam reka bentuk bekalan kuasa untuk pengkomputeran telekomunikasi 5G, industri, dan berkinerja tinggi yang beroperasi dengan arus universal (90–265 VAC) pada tahap daya yang disarankan hingga 350 W. Sebagai contoh, dengan 230-VAC input utama, litar PFC berdasarkan NCP1680 mampu mencapai kecekapan hampir 99% pada 300 W.

TI juga memamerkan pengawal DC / DC terpadu yang mengurangi ukuran pelepasan dan bekalan kuasa yang dilakukan dalam aplikasi automotif, industri, dan komunikasi. Syarikat itu mendakwa ini adalah yang pertama Pengawal DC / DC dengan penapis EMI aktif bersepadu (AEF) yang membantu jurutera merancang penyelesaian bekalan kuasa terkecil dengan gangguan elektromagnetik rendah (EMI). Sebagai tambahan kepada AEF bersepadu, keluarga pengawal buck DC / DC segerak baru - LM25149-Q1 dan LM25149 - menggabungkan teknologi spektrum penyebaran dwi-rawak, yang selanjutnya membantu mengurangkan EMI.

Terdapat beberapa senario yang baru LM25149-S1 and LM25149 Pengawal DC / DC membantu pereka kuasa. Peranti boleh memotong kawasan penapis EMI luaran menjadi separuh dan menurunkan EMI reka bentuk kuasa yang dijalankan sebanyak 55 dBµV di sebilangan jalur frekuensi atau mencapai kombinasi ukuran penapis yang dikurangkan dan EMI rendah, menurut TI.

AEF bersepadu, dengan mengurangkan beban penyaringan pada elemen pasif, mengurangkan ukuran, isi padu, dan kos penapis EMI pasif, yang membolehkan para jurutera mencapai reka bentuk daya EMI rendah sekecil mungkin, kata TI. AEF bersepadu dapat mengurangkan ukuran penapis EMI hingga 50% di kawasan dan 75% isi padu. Pengawal buck juga mempunyai penyegerakan frekuensi ke jam luaran, yang seterusnya mengurangkan EMI.

Ciri-ciri lain yang membantu meningkatkan ketumpatan kuasa termasuk operasi dua fasa interleaved dan penyatuan diod bootstrap, kompensasi gelung, dan komponen maklum balas voltan output. TI menyatakan bahawa jurutera mempunyai pilihan untuk menggunakan maklum balas luaran dan kompensasi gelung untuk lebih mengoptimumkan reka bentuk mereka.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, kini merupakan sebahagian daripada Maxim Integrated Products Inc., diperkenalkan menjelang APEC an reka bentuk rujukan perkakas hujung tangan untuk robotik industri dan pengawal / pemacu servo paksi tunggal dengan kawalan gerakan bersepadu.

Sumber terbuka TMCM-1617-GRIP-REF reka bentuk rujukan mengintegrasikan kawalan berorientasikan medan berasaskan perkakasan (FOC) dan tiga port komunikasi, menyokong komunikasi EtherCAT, IO-Link, atau RS-485 industri. Reka bentuk rujukan mempunyai kualiti industri Maxim Integrated MAX22000 input / output analog berketepatan tinggi dan MAX14906 input / output digital quad-channel untuk menyesuaikan pelbagai mod Trinamic TMCM-1617 pemacu servo paksi tunggal.

Trinamic mengatakan bahawa reka bentuk mengecilkan ukuran pencengkam robot sebanyak 3 × sambil mengurangkan masa pengembangan pada separuh, berkat platform perkakasan pintar yang bersepadu sepenuhnya yang menyediakan algoritma kawalan motor serta tumpukan protokol. Semua ciri ini - FOC berasaskan perkakasan, input / output yang boleh dikonfigurasi perisian, dan tiga tumpukan protokol komunikasi - sesuai dengan ukuran penyelesaian padat yang berukuran 4,197 mm².

mengenai Penukaran Kuasa Cekap (EPC)GaN Systems Inc.Teknologi InfineonNexperiaON Semikonduktor IntegrasiKuasaInstrumen TexasTRINAMIC