APEC-roundup: WBG en industriële stroom in de schijnwerpers

De technische sessies op de Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) weerspiegelden de belangrijkste stroomtrends in verschillende sectoren: de vraag naar hogere efficiëntie, verbeterd thermisch beheer en miniaturisatie. Deze vereisten gelden voor alle sectoren: auto's, industrie, mobiele apparaten, datacenters en hernieuwbare energie.

Om deze uitdagingen aan te gaan, wenden energieontwerpers zich tot wide-bandgap (WBG) halfgeleiders, die werden benadrukt door een aantal WBG-apparaten die op de show te zien waren. WBG-apparaten, zowel siliciumcarbide (SiC) als galliumnitride (GaN), vormen een groeiend segment van de markt voor elektrische apparaten. Deze apparaten bieden inherente voordelen ten opzichte van silicium, waaronder hogere bandgaps en lagere geleidingsverliezen, het vinden van huizen in elektrische voertuigen (EV's), telecom en hernieuwbare energie.

Tegelijkertijd is er een toenemende vraag naar stroomapparatuur die geschikt is voor zware industriële omgevingen. Veel van deze apparaten zijn gericht op het verbeteren van de algehele efficiëntie en het verminderen van de bordruimte.

Hier is een selectie van stroomapparaten die te zien zijn op APEC 2021.

WBG-apparaten

SiC technologie maakt grote vooruitgang op het gebied van elektrische voertuigen dankzij verschillende voordelen ten opzichte van silicium, waaronder betere schakelingen en verbeterde thermische prestaties, wat zich vertaalt in een hogere efficiëntie, een hogere vermogensdichtheid en een kleiner formaat. Een van de nieuwste SiC-apparaten voor EV’s komt van ON Halfgeleider. Het bedrijf toonde verschillende SiC-oplossingen, inclusief 650-V SiC mosfets en 1,200-V en 900-V N-kanaal SiC MOSFET's. Het bedrijf organiseerde ook verschillende seminars over het opladen van EV's buiten boord.

Twee van AAN Halfgeleider's nieuwste SiC-producten gericht op EV's zijn dat wel 1,200 V SiC mosfet tweedelige modules. Deze modules, gebaseerd op planaire technologie, kunnen een spanning bereik van 18-20 V. De apparaten zijn eenvoudig te besturen met negatieve poortspanningen, aldus het bedrijf.

Ontworpen voor EV-laadstationtoepassingen en geconfigureerd als een tweedelige halve brug, de NXH010P120MNF1 is een apparaat van 10 mΩ gehuisvest in een F1-pakket, terwijl de NXH006P120MNF2 is een apparaat van 6 mΩ in een F2-verpakking. De verpakkingen zijn voorzien van perspennen, waardoor ze ook geschikt zijn voor industriële toepassingen.

De SiC MOSFET-modules hebben ook een ingebouwde thermistor met negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) voor temperatuurbewaking. Naast het opladen van elektrische voertuigen kunnen deze apparaten worden gebruikt in omvormers voor zonne-energie, noodstroomvoorzieningen en energieopslagsystemen.

Terwijl SiC-technologie vooruitgang boekt in EV-markten, zijn veel van de WBG-apparaten die op APEC worden getoond, gebaseerd op GaN-technologie. GaN-apparaten bieden verschillende voordelen ten opzichte van silicium, waaronder een kleiner formaat, hogere thermische geleidbaarheid en hoge efficiëntie. Hier zijn een paar voorbeelden van Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations en Texas Instruments.

EPC presenteerde zijn nieuwste op GaN gebaseerde veldeffecttransistoren (eGaN FET's) en IC's voor high-power-density computing, auto's, e-mobiliteit en robotica. Het bedrijf organiseerde ook verschillende technische sessies met zijn eGaN FET's en IC's.

Nieuwe producten zijn onder meer 48-V busstroomdistributieproducten zoals de EPC9137, een 1.5 kW tweefasige 48- tot 12 V bidirectionele omvormer dat werkt met een efficiëntie van 97% in een zeer kleine voetafdruk. De EPC9137 DC/DC-converter zou 3× sneller en meer dan 35% kleiner en lichter zijn met een meer dan 1.5% hogere efficiëntie in vergelijking met silicium MOSFET-oplossingen.

EPC biedt ook een schaalbaar demobord waarmee twee converters parallel kunnen worden geschakeld om 3 kW te bereiken, of drie parallel geschakelde converters om 4.5 kW te bereiken. Het bord is voorzien van vier EPC2206 100-V eGaN FET's en wordt bestuurd door een module inclusief de Microchip dsPIC33CK256MP503 16-bit digitale controller.

EPC eGaN FET's kunnen werken met een efficiëntie van 97% bij een schakelfrequentie van 250 kHz, wat 800 W/fase mogelijk maakt in vergelijking met op silicium gebaseerde oplossingen, aldus EPC. Bovendien is het mogelijk om het aantal fasen te verminderen van vijf naar vier voor een 3.5 kW-omvormer en tegelijkertijd de efficiëntie te verhogen, voegde het bedrijf eraan toe.

Het bedrijf kondigde ook de uitbreiding aan van zijn 80-V en 200-V eGaN FET-portfolio. Dit omvat de EPC2065 en EPC2054 eGaN FET's.

GaN Systems demonstreerde zijn meest recente op GaN gebaseerde oplossingen voor een reeks toepassingen, van opladers voor mobiele telefoons en laptops tot EV's. Eén oplossing is een referentieontwerp voor een op GaN gebaseerde 3 kW LLC-resonantieconverter met hoge dichtheid en hoog rendement (GS-EVB-LLC-3KW-GS), gericht op datacenter-, telecom- en industriële switch-mode power supply (SMPS)-toepassingen. Het ontwerp van de full-bridge LLC resonantieconverter, waarin de bedrijfs 650-V e-mode transistoren, overtreft de 80 PLUS Titanium-norm voor voedingseenheden en bereikt een hoge vermogensdichtheid (AC/DC PSU) van meer dan 100 W/in.³ en een hoog rendement van meer dan 96%.

GaN Systems demonstreerde ook verschillende opladerproducten voor consumenten, waaronder de 100 W dubbele USB-C intelligente PD GaN-oplader en voorbeelden van hoog rendement GaN-gebaseerde 65-W QR en 65 W actieve klem flyback (ACF) opladers. Voor auto's benadrukte het bedrijf zijn: 650-V, 60-A transistors van automobielkwaliteit, die voldoen aan de vereisten voor hoog vermogen, laag verlies en hoge betrouwbaarheid.

Nexperia benadrukte zijn krachtige GaN FET-familie, met de nadruk op de 650-V-apparaten, samen met zijn CCPAK-verpakking voor opbouwmontage. Enkele van de laatste nieuwe producten zijn de tweede generatie 650-V voeding GaN FET-apparaatfamilie, gericht op server- en telecomvoedingen.

De 650-V GaN-FET's voldoen aan 80 PLUS Titanium-klasse voedingen (eenfasige AC/DC en DC/DC industriële SMPS) die werken op 2 kW tot 10 kW, met een R_{DS (aan)} tot 35 mΩ (typisch). Ze kunnen ook worden gebruikt in omvormers voor zonne-energie en servoaandrijvingen in hetzelfde vermogensbereik.

De 650-V H2 power GaN FET's, ondergebracht in een TO-247-verpakking, leveren een krimp van 36% in de matrijsgrootte voor een gegeven R_{DS (aan)} waarde voor een betere stabiliteit en efficiëntie, aldus het bedrijf. Bovendien elimineert de cascode-configuratie de noodzaak voor ingewikkelde stuurprogramma's, waardoor de time-to-market wordt versneld.

Nexperia biedt ook een bereik van GaN FET-apparaten die zijn voorzien van de volgende generatie hoogspannings GaN HEMT H2-technologie, gericht op automotive-, 5G- en datacentertoepassingen. De apparaten zijn ondergebracht in de standaard TO-247 en de bedrijfseigen CCPAK-verpakking voor opbouwmontage met een koperen clip.

Power Integrations richtte zijn APEC-sessies op BLDC-motordriveroplossingen, ontwerpautomatiseringstools en PowiGaN-apparaten. Een van de nieuwste in de PowiGaN-apparaatfamilie is de InnoSwitch4-CZ flyback switcher IC's met GaN-technologie, gericht op een nieuwe klasse van ultracompacte mobiele oplaadapparaten.

De InnoSwitch4-CZ familie van hoogfrequente, nulspanningsgeschakelde flyback-switcher-IC's bevat een primaire schakelaar van 750 V met behulp van de PowiGaN-technologie van het bedrijf en een nieuwe hoogfrequente ACF-controller om een ​​nieuwe klasse ultracompacte en ultraefficiënte opladers voor telefoons mogelijk te maken , tablets en laptops.

De InnoSwitch4-CZ en ClampZero actieve klemcombinatie biedt tot 95% efficiëntie en handhaaft een zeer hoog rendement over variaties in lijnspanning, systeembelasting en uitgangsspanning in vergelijking met oudere ACF-benaderingen, aldus Power Integrations.

Naast verschillende technische sessies, behoren de GaN FET's tot de aanbevolen producten die Texas Instruments Inc. op de APEC belichtte. Afgelopen november claimde TI de eerste automotive GaN FET's met geïntegreerde driver, bescherming en actief energiebeheer voor auto- en industriële toepassingen. Zijn uitbreiden hoogspannings GaN FET-stroombeheerportfolio, de nieuwe 650-V en 600-v GaN FET's twee keer de vermogensdichtheid leveren en 99% efficiëntie bereiken in vergelijking met bestaande oplossingen, zei TI.

Bovendien, in combinatie met de geavanceerde besturingsfuncties in de C2000 real-time microcontrollers, zoals de TMS320F2838x of de TMS320F28004x, de LMG3522R030-Q1 GaN FET maakt schakelfrequenties groter dan 1 MHz mogelijk in stroomomvormers, waardoor de magnetische grootte met 59% wordt verminderd ten opzichte van bestaande silicium- en SiC-oplossingen, zei TI.

Met een snel schakelende, 2.2-MHz geïntegreerde gate-driver, GaN FET's integreer ook interne bescherming en temperatuurdetectie, wat helpt om de ruimte op het bord te verminderen in ontwerpen voor energiebeheer. Deze integratie, samen met de hoge vermogensdichtheid van TI's eigen GaN-technologie, stelt ingenieurs in staat om meer dan 10 componenten te elimineren die normaal gesproken nodig zijn voor discrete oplossingen, aldus TI. Bovendien kan elk van de nieuwe FET's van 30 mΩ tot 4 kW stroomconversie ondersteunen wanneer ze worden toegepast in een configuratie met een halve brug.

TI zei dat de GaN-FET's voor auto's kunnen helpen de grootte van ingebouwde EV-laders en DC/DC-converters met maar liefst 50% te verminderen in vergelijking met bestaande silicium- of SiC-oplossingen, en EV's een groter batterijbereik, grotere systeembetrouwbaarheid en lagere kosten bieden .

Voor industriële toepassingen maken de nieuwe apparaten een hoge efficiëntie en vermogensdichtheid mogelijk in AC/DC-stroomleveringstoepassingen waarbij lage verliezen en beperkte bordruimte belangrijk zijn, zei TI. Toepassingen zijn onder meer hyperscale en enterprise computing-platforms, evenals 5G-telecomgelijkrichters.

industriële kracht

Infineon Technologies AG presenteerde dit jaar een groot aantal energiebeheeroplossingen op APEC, variërend van silicium tot WBG-apparaten, voor een reeks toepassingen, van computers en datacenters tot hernieuwbare energie en e-mobiliteit. Het bedrijf benadrukte ook zijn productlijn voor industriële energie en motorbesturing.

Een van de apparaten die Infineon heeft gebruikt, is de nieuwste toevoeging aan zijn Eice BESTUURDER productportfolio, de 6EDL7141 driefasige gate-driver-IC voor geavanceerde motorbesturing in consumenten- en industriële toepassingen op batterijen. Gericht op het leveren van een hogere vermogensdichtheid en verbeterde systeemefficiëntie, is de programmeerbare oplossing voor geavanceerde motorbesturingstoepassingen verpakt in een 48-pins VQFN met een voetafdruk van 7 × 7 mm². In combinatie met Infineon's power MOSFET's, bieden de toestellen een totaaloplossing.

De belangrijkste kenmerken van de EiceDRIVER 6EDL7141 zijn onder meer een SPI-interface voor de configuratie van de poortaandrijving, een geïntegreerde voeding en dubbele laadpompen om alle systeemfuncties te leveren. Dankzij een bedrijfsspanningsbereik van 5.5 tot 60 V en een configureerbare stuurstroom tot 1.5 A kan het apparaat een breed scala aan MOSFET's aansturen. Het biedt ook een instelbare gate-driver-voedingsspanningsinstelling tussen 7 V, 10 V, 12 V en 15 V.

De geïntegreerde bok regelaar vereist alleen een externe condensator en Inductor om stroom te leveren voor zowel de microcontroller als de Hall-sensoren in de motor, zei Infineon, wat de bordruimte en het aantal benodigde externe componenten vermindert.

ON Semiconductor lanceerde een aantal geïntegreerde voedingsmodules voor industriële toepassingen. De twee nieuwe geïntegreerde, converter-inverter-power factor correction (PFC) modules zijn ontworpen voor industriële motoraandrijvingen, servoaandrijvingen en HVAC, waar ze worden gebruikt om motoren aan te drijven voor toepassingen zoals ventilatoren en pompen.

De NXH50M65L4C2SG en NXH50M65L4C2ESG zijn transfer-molded power-geïntegreerde modules die gericht zijn op robuuste industriële toepassingen met een hoog uitgangsvermogen.

De NXH50M65L4C2SG en NXH50M65L4C2ESG, gebaseerd op een standaard aluminiumoxide (Al₂O₃) substraat en een verbeterd substraat met lage thermische weerstand, respectievelijk, bevatten een converter-inverter-PFC circuit bestaande uit een eenfasige omvormer met vier gelijkrichters van 75 A, 1,600 V. De driefasige omvormer (NXH50M65L4C2ESG) gebruikt zes 50 A, 600 V IGBTs met inverse diodes, en de tweekanaals interleaved PFC (NXH50M65L4C2SG) integreert twee 75 A, 650 V PFC IGBT's met inverse diodes en twee 50 A, 650 V PFC-diodes. Er is een NTC-thermistor ingebouwd om de temperatuur van het apparaat tijdens bedrijf te kunnen monitoren.

Dankzij de voorgemonteerde en geoptimaliseerde module zijn parasitaire elementen erg klein in vergelijking met discrete PCB-gebaseerde ontwerpen, zei ON Semiconductor, waardoor een breed PFC-schakelfrequentiebereik tussen 18 kHz en 65 kHz mogelijk is.

ON Semiconductor claimde ook de eerste totempaal PFC-controller in de branche voor offline voedingen met ultrahoge dichtheid. De NCP1680 kritische geleidingsmodus totempaal PFC-controller maakt gebruik van een nieuwe stroombegrenzingsarchitectuur en lijnfasedetectie samen met bewezen besturingsalgoritmen.

Door gelijkrichtbrugdiodes te vervangen door schakelaars in een totempaalconfiguratie en "de boost PFC-functie in te schakelen", kan de NCP1680 brugverliezen verminderen en de algehele efficiëntie verbeteren, aldus het bedrijf. Bovendien kan de NCP1680 elk type switch ondersteunen, inclusief superjunction silicium MOSFET's of WBG-switches zoals SiC- of GaN-apparaten.

Het geïntegreerde apparaat kan worden gebruikt in voedingsontwerpen voor telecom 5G, industriële en high-performance computing die werken met universele netvoeding (90-265 VAC) bij aanbevolen vermogensniveaus tot 350 W. Als voorbeeld, met een 230-VAC netingang, kunnen PFC-circuits op basis van de NCP1680 een efficiëntie van bijna 99% bereiken bij 300 W.

TI toonde ook een geïntegreerde DC/DC-controller die de geleide emissies en de grootte van de voeding in automobiel-, industriële en communicatietoepassingen vermindert. Het bedrijf beweert dat dit de eerste zijn DC/DC-controllers met een geïntegreerd actief EMI-filter (AEF) die ingenieurs helpen bij het ontwerpen van de kleinste voedingsoplossingen met lage elektromagnetische interferentie (EMI). Naast de geïntegreerde AEF bevat de nieuwe familie van synchrone DC/DC buck-controllers - de LM25149-Q1 en LM25149 - dual-random spread-spectrum-technologie, die EMI verder helpt verminderen.

Er zijn een aantal scenario's waardoor de nieuwe LM25149-Q1 en LM25149 DC/DC-controllers helpen energieontwerpers. De apparaten kunnen ofwel het gebied van het externe EMI-filter halveren en de geleide EMI van het stroomontwerp verlagen met maar liefst 55 dBVV over meerdere frequentiebanden of een combinatie van kleinere filtergrootte en lage EMI bereiken, aldus TI.

De geïntegreerde AEF, door de filterbelasting op de passieve elementen te verminderen, vermindert de grootte, het volume en de kosten van het passieve EMI-filter, waardoor ingenieurs het kleinst mogelijke ontwerp met laag EMI-vermogen kunnen bereiken, zei TI. De geïntegreerde AEF kan de grootte van de EMI-filters tot 50% in oppervlakte en 75% in volume verkleinen. De buck-controllers beschikken ook over frequentiesynchronisatie met een externe klok, wat EMI verder vermindert.

Andere functies die de vermogensdichtheid helpen verhogen, zijn onder meer interleaved dual-phase werking en de integratie van de bootstrap-diode, luscompensatie en uitgangsspanningsfeedbackcomponenten. TI merkte op dat ingenieurs een optie hebben om externe feedback en luscompensatie te gebruiken om hun ontwerpen verder te optimaliseren.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, nu onderdeel van Maxim Integrated Products Inc., geïntroduceerd voorafgaand aan APEC en referentieontwerp voor end-of-arm tooling voor industriële robotica en de eenassige servocontroller/driver met geïntegreerde motion control.

De open source TMCM-1617-GREEP-REF referentieontwerp integreert op hardware gebaseerde veldgeoriënteerde besturing (FOC) en drie communicatiepoorten, die industriële EtherCAT-, IO-Link- of RS-485-communicatie ondersteunen. Het referentieontwerp is voorzien van Maxim Integrated's industriële kwaliteit MAX22000 zeer nauwkeurige configureerbare analoge input/output en MAX14906 quad-channel digitale input/output om de meerdere modi van de Trinamic . aan te passen TMCM-1617 enkele as servo driver.

Trinamic zei dat het ontwerp de grootte van de robotgrijpers met 3× verkleint en de ontwikkelingstijd halveert, dankzij het volledig geïntegreerde, intelligente hardwareplatform dat motorbesturingsalgoritmen en protocolstacks biedt. Al deze functies — op hardware gebaseerde FOC, software-configureerbare in-/uitgangen en drie communicatieprotocolstacks — passen in een compacte oplossing van 4,197 mm².

over Efficient Power Conversion (EPC)GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorPower IntegrationsTexas InstrumentsTRINAMIC