Comparativo de APEC: WBG e energia industrial em destaque

As sessões técnicas na Applied Power Electronics Conference & Exposition (APEC 2021) refletiram as principais tendências de energia em todos os setores: a demanda por maior eficiência, gerenciamento térmico aprimorado e miniaturização. Esses requisitos são vistos em todos os setores - automotivo, industrial, dispositivos móveis, data centers e energia renovável.

Para enfrentar esses desafios, os projetistas de energia estão se voltando para semicondutores de largura de banda larga (WBG), que foram destacados por uma série de dispositivos WBG apresentados no show. Os dispositivos WBG, tanto de carboneto de silício (SiC) quanto de nitreto de gálio (GaN), são um segmento crescente do mercado de dispositivos de energia. Esses dispositivos oferecem vantagens inerentes sobre o silício, incluindo bandgaps maiores e menores perdas de condução, localização de residências em veículos elétricos (EVs), telecomunicações e energia renovável.

Ao mesmo tempo, há uma demanda crescente por dispositivos de energia que atendam a ambientes industriais adversos. Muitos desses dispositivos têm como objetivo melhorar a eficiência geral e reduzir o espaço da placa.

Aqui está uma seleção de dispositivos de energia apresentados no APEC 2021.

Dispositivos WBG

SiC tecnologia está fazendo grandes avanços nos veículos elétricos graças a diversas vantagens em relação ao silício, incluindo melhor comutação e melhor desempenho térmico, traduzindo-se em maior eficiência, maior densidade de potência e menor tamanho. Um dos mais novos dispositivos SiC para EVs vem da ON Semicondutores. A empresa apresentou vários Soluções SiC, incluindo 650-V SiC mosfet e MOSFETs SiC de 1,200 V e 900 V de canal N. A empresa também organizou vários seminários sobre carregamento de EV fora da placa.

Dois de ON Semicondutoresos mais recentes produtos SiC da empresa voltados para EVs são 1,200-V SiC mosfet módulos de dois pacotes. Esses módulos, baseados em tecnologia planar, podem conduzir um Voltagem faixa de 18–20 V. Os dispositivos são simples de conduzir com tensões de porta negativas, disse a empresa.

Projetado para aplicações de estação de carregamento EV e configurado como uma meia ponte de dois pacotes, o NXH010P120MNF1 é um dispositivo de 10 mΩ alojado em um pacote F1, enquanto o NXH006P120MNF2 é um dispositivo de 6 mΩ em um pacote F2. Os pacotes apresentam pinos press-fit, tornando-os também adequados para aplicações industriais.

Os módulos SiC MOSFET também apresentam um termistor de coeficiente de temperatura negativa (NTC) incorporado para monitoramento de temperatura. Além de carregar EV, esses dispositivos podem ser usados ​​em inversores solares, fontes de alimentação ininterrupta e sistemas de armazenamento de energia.

Enquanto a tecnologia SiC está avançando nos mercados de EV, muitos dos dispositivos WBG apresentados na APEC são baseados na tecnologia GaN. Os dispositivos GaN oferecem vários benefícios em relação ao silício, incluindo um tamanho menor, maior condutividade térmica e alta eficiência. Aqui estão alguns exemplos de Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations e Texas Instruments.

A EPC apresentou seus mais recentes transistores de efeito de campo baseados em GaN de modo de aprimoramento (eGaN FETs) e ICs para computação de alta densidade de potência, automotivo, e-mobilidade e robótica. A empresa também organizou várias sessões técnicas com seus FETs e ICs eGaN.

Novos produtos incluem produtos de distribuição de energia de barramento de 48 V, como o EPC9137, um 1.5 kW bifásico 48 a 12 V bidirecional conversor que opera com 97% de eficiência em uma pegada muito pequena. Diz-se que o conversor DC / DC EPC9137 é 3 × mais rápido e 35% menor e mais leve, com eficiência maior que 1.5% em comparação com as soluções MOSFET de silício.

A EPC também oferece uma placa de demonstração escalonável que permite que dois conversores sejam colocados em paralelo para atingir 3 kW ou três conversores em paralelo para atingir 4.5 kW. A placa possui quatro FETs eGaN EPC2206 100-V e é controlada por um módulo que inclui o controlador digital Microchip dsPIC33CK256MP503 de 16 bits.

EPC eGaN FETs podem operar com 97% de eficiência na frequência de chaveamento de 250 kHz, permitindo 800 W / fase em comparação com soluções baseadas em silício, disse EPC. Além disso, é possível reduzir o número de fases de cinco para quatro para um conversor de 3.5 kW e aumentar a eficiência, acrescentou a empresa.

A empresa também anunciou a expansão de seu portfólio de FET 80-V e 200-V eGaN. Isso inclui o EPC2065 e EPC2054 eGaN FET.

A GaN Systems demonstrou suas mais recentes soluções baseadas em GaN para uma variedade de aplicações, de carregadores de celulares e laptops a EVs. Uma solução é um projeto de referência para um conversor ressonante LLC de 3 kW baseado em GaN de alta densidade e alta eficiência (GS-EVB-LLC-3KW-GS), visando aplicativos de data center, telecomunicações e fonte de alimentação de modo de comutação industrial (SMPS). O projeto do conversor ressonante LLC de ponte completa, integrando os Transistores e-modo 650-V, excede o padrão 80 PLUS Titanium para unidades de fonte de alimentação, alcançando alta densidade de potência (AC / DC PSU) acima de 100 W / in.³ e alta eficiência de mais de 96%.

GaN Systems também demonstrou vários produtos de carregadores de consumo, incluindo o Carregador PD GaN inteligente dual USB-C de 100 W e exemplos de alta eficiência QR 65-W baseado em GaN e Flyback da braçadeira ativa 65-W (ACF) carregadores. Para o setor automotivo, a empresa destacou seu classe automotiva 650-V, transistores 60-A, que atendem aos requisitos de alta potência, baixa perda e alta confiabilidade.

A Nexperia destacou sua família Power GaN FET, com foco nos dispositivos 650-V, junto com seu pacote de montagem em superfície CCPAK. Alguns dos novos produtos mais recentes incluem sua segunda geração Família de dispositivos FET de GaN de potência 650-V, visando fontes de alimentação de servidor e telecomunicações.

Os 650-V GaN FETs atendem às fontes de alimentação 80 PLUS Titanium-class (monofásico AC / DC e DC / DC SMPS industrial) operando em 2 kW a 10 kW, com um R_{DS (ligado)} até 35 mΩ (típico). Eles também podem ser usados ​​em inversores solares e servo drives na mesma faixa de potência.

Os FETs de GaN de potência 650-V H2, alojados na embalagem TO-247, fornecem um encolhimento de 36% no tamanho da matriz para um determinado R_{DS (ligado)} valor para melhor estabilidade e eficiência, disse a empresa. Além disso, a configuração do cascode elimina a necessidade de drivers complicados, acelerando o tempo de lançamento no mercado.

Nexperia também oferece um intervalo de dispositivos GaN FET que apresentam sua tecnologia GaN HEMT H2 de alta tensão de próxima geração, voltada para aplicações automotivas, 5G e de data center. Os dispositivos são alojados no padrão TO-247 e na embalagem de montagem em superfície CCPAK proprietária da empresa com um clipe de cobre.

A Power Integrations concentrou suas sessões APEC em soluções de driver de motor BLDC, ferramentas de automação de design e dispositivos PowiGaN. Um dos mais novos na família de dispositivos PowiGaN é o InnoSwitch4-CZ CIs flyback switcher com tecnologia GaN, visando uma nova classe de dispositivos de carregamento móvel ultracompactos.

A InnoSwitch4-CZ família de ICs de switcher flyback de comutação de alta frequência e voltagem zero incorpora um switch primário de 750 V usando a tecnologia PowiGaN da empresa e um novo controlador ACF de alta frequência para habilitar uma nova classe de carregadores ultracompactos e ultreficientes para telefones , tablets e laptops.

A combinação de braçadeira ativa InnoSwitch4-CZ e ClampZero fornece até 95% de eficiência e mantém uma eficiência muito alta em variações de tensão de linha, carga do sistema e tensão de saída em comparação com abordagens ACF mais antigas, disse Power Integrations.

Junto com várias sessões técnicas, entre os produtos apresentados que a Texas Instruments Inc. destacou na APEC estão seus GaN FETs. Em novembro passado, TI reivindicou o primeiro automotivo FETs GaN com driver integrado, proteção e gerenciamento ativo de energia para aplicações automotivas e industriais. Expandindo seu portfólio de gerenciamento de energia GaN FET de alta tensão, o novo 650-V e 600-v FETs GaN entregar o dobro da densidade de energia e atingir 99% de eficiência em comparação com as soluções existentes, disse TI.

Além disso, quando combinado com os recursos de controle avançados nos microcontroladores em tempo real C2000, como o TMS320F2838x ou o TMS320F28004x, o LMG3522R030-Q1 GaN FET permite a comutação de frequências superiores a 1 MHz em conversores de energia, reduzindo o tamanho magnético em 59% em relação às soluções existentes de silício e SiC, disse TI.

Com um driver de porta integrado de 2.2 MHz de comutação rápida, o FETs GaN também integra proteção interna e sensor de temperatura, o que ajuda a reduzir o espaço da placa em projetos de gerenciamento de energia. Essa integração, junto com a alta densidade de potência da tecnologia GaN proprietária da TI, permite que os engenheiros eliminem mais de 10 componentes normalmente necessários para soluções discretas, disse TI. Além disso, cada um dos novos FETs de 30 mΩ pode suportar até 4 kW de conversão de energia quando aplicado em uma configuração de meia ponte.

TI disse que os FETs de GaN automotivos podem ajudar a reduzir o tamanho dos carregadores EV on-board e conversores DC / DC em até 50% em comparação com as soluções existentes de silício ou SiC, oferecendo EVs uma faixa de bateria estendida, maior confiabilidade do sistema e menor custo .

Para aplicações industriais, os novos dispositivos permitem alta eficiência e densidade de energia em aplicações de fornecimento de energia AC / DC nas quais baixas perdas e espaço reduzido na placa são importantes, disse TI. Os aplicativos incluem plataformas de computação corporativa e hiperescala, bem como retificadores de telecomunicações 5G.

Potência industrial

A Infineon Technologies AG apresentou uma série de soluções de gerenciamento de energia na APEC este ano, variando de silício a dispositivos WBG, cobrindo uma variedade de aplicações de computação e data center a energia renovável e e-mobilidade. A empresa também destacou sua linha de produtos de potência industrial e controle de motores.

Um dos dispositivos apresentados pela Infineon é a mais recente adição ao seu EiceDRIVER portfólio de produtos, o 6EDL7141 IC driver de portão trifásico para controle avançado de motor em aplicações industriais e de consumo alimentadas por bateria. Com o objetivo de fornecer maior densidade de potência e eficiência de sistema aprimorada, a solução programável para aplicações de controle de motor avançado é fornecida em um VQFN de 48 pinos com 7 × 7 mm². Quando combinado com Infineon's Power MOSFETs, os aparelhos oferecem uma solução completa.

Os principais recursos do EiceDRIVER 6EDL7141 incluem uma interface SPI para configuração de saída de drive de portão, uma fonte de alimentação integrada e bombas de carga dupla para fornecer todas as funções do sistema. Graças a uma faixa de tensão operacional de 5.5 a 60 V e uma corrente de acionamento configurável de até 1.5 A, o dispositivo pode acionar uma ampla faixa de MOSFETs. Ele também oferece uma configuração de tensão de alimentação do gate-driver ajustável entre 7 V, 10 V, 12 V e 15 V.

O dinheiro integrado regulador requer apenas um externo capacitor e Indutor para fornecer energia para o microcontrolador e os sensores Hall no motor, disse Infineon, o que reduz o espaço da placa e o número de componentes externos necessários.

ON Semiconductor lançou alguns módulos de energia integrados para aplicações industriais. Os dois novos módulos integrados de correção do fator de potência do conversor-inversor (PFC) são projetados para acionamentos de motores industriais, servoacionamentos e HVAC, onde são usados ​​para acionar motores para aplicações incluindo ventiladores e bombas.

A NXH50M65L4C2SG e NXH50M65L4C2ESG são módulos integrados de energia moldados por transferência que visam aplicações industriais robustas com alta potência de saída.

O NXH50M65L4C2SG e NXH50M65L4C2ESG, com base em um óxido de alumínio padrão (Al₂O₃) substrato e um substrato de baixa resistência térmica aprimorada, respectivamente, contêm um conversor − inversor − PFC o circuito composto por um conversor monofásico com quatro retificadores de 75 A e 1,600 V. O inversor trifásico (NXH50M65L4C2ESG) utiliza seis 50-A, 600-V IGBTs com diodos inversos, e o PFC intercalado de canal duplo (NXH50M65L4C2SG) integra dois IGBTs PFC de 75 A e 650 V com diodos inversos e dois diodos PFC de 50 A e 650 V. Um termistor NTC está incorporado para permitir o monitoramento da temperatura do dispositivo durante a operação.

Graças ao módulo pré-montado e otimizado, os elementos parasitas são muito pequenos quando comparados com projetos baseados em PCB discretos, disse ON Semiconductor, permitindo uma ampla faixa de frequência de chaveamento de PFC entre 18 kHz e 65 kHz.

ON Semiconductor também reivindicou o primeiro controlador PFC totem-pole da indústria para fontes de alimentação off-line de densidade ultra-alta. O NCP1680 O controlador PFC de totem de modo de condução crítica usa uma nova arquitetura de limite de corrente e detecção de fase de linha junto com algoritmos de controle comprovados.

Ao substituir os diodos da ponte retificadora por interruptores em uma configuração de totem e “puxando a função de PFC de reforço”, o NCP1680 pode reduzir as perdas da ponte e melhorar a eficiência geral, disse a empresa. Além disso, o NCP1680 pode suportar qualquer tipo de switch, incluindo MOSFETs de silício de superjunção ou switches WBG, como dispositivos SiC ou GaN.

O dispositivo integrado pode ser usado em projetos de fonte de alimentação para telecom 5G, industrial e computação de alto desempenho que opera com rede universal (90–265 VAC) em níveis de potência recomendados de até 350 W. Por exemplo, com 230-VAC entrada de rede, circuitos PFC baseados no NCP1680 são capazes de alcançar eficiência próxima de 99% a 300 W.

A TI também apresentou um controlador DC / DC integrado que reduz as emissões conduzidas e o tamanho da fonte de alimentação em aplicações automotivas, industriais e de comunicação. A empresa afirma que estes são os primeiros Controladores DC / DC com filtro EMI ativo integrado (AEF) que ajudam os engenheiros a projetar as menores soluções de fonte de alimentação com baixa interferência eletromagnética (EMI). Além do AEF integrado, a nova família de controladores buck DC / DC síncronos - o LM25149-Q1 e o LM25149 - incorpora a tecnologia de espalhamento espectral aleatório duplo, que ajuda ainda mais a mitigar a EMI.

Existem alguns cenários pelos quais o novo LM25149-Q1 e LM25149 Os controladores DC / DC ajudam os projetistas de energia. Os dispositivos podem cortar a área do filtro EMI externo pela metade e diminuir a EMI conduzida do projeto de energia em até 55 dBµV em várias bandas de frequência ou atingir uma combinação de tamanho de filtro reduzido e EMI baixo, de acordo com a TI.

O AEF integrado, ao diminuir a carga de filtragem nos elementos passivos, reduz o tamanho, o volume e o custo do filtro passivo EMI, permitindo que os engenheiros obtenham o menor projeto de energia de baixo EMI possível, disse TI. O AEF integrado pode reduzir o tamanho dos filtros EMI em até 50% na área e 75% no volume. Os controladores buck também apresentam sincronização de frequência com um relógio externo, o que reduz ainda mais a EMI.

Outros recursos que ajudam a aumentar a densidade de potência incluem operação de fase dupla intercalada e a integração do diodo de bootstrap, compensação de loop e componentes de feedback de tensão de saída. TI observou que os engenheiros têm a opção de usar feedback externo e compensação de loop para otimizar ainda mais seus projetos.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, agora parte da máximo Integrated Products Inc., apresentada antes da APEC e design de referência de ferramentas de fim de braço para robótica industrial e servo controlador / driver de eixo único com controle de movimento integrado.

O código-fonte aberto TMCM-1617-GRIP-REF o design de referência integra controle orientado a campo baseado em hardware (FOC) e três portas de comunicação, suportando comunicação EtherCAT, IO-Link ou RS-485 industrial. O design de referência apresenta o nível industrial da Maxim Integrated MAX22000 entrada / saída analógica configurável de alta precisão e MAX14906 entrada / saída digital de quatro canais para ajustar os vários modos do Trinamic TMCM-1617 servo driver de eixo único.

Trinamic disse que o design diminui o tamanho das garras robóticas em 3x enquanto reduz o tempo de desenvolvimento pela metade, graças à plataforma de hardware inteligente totalmente integrada que fornece algoritmos de controle de motor, bem como pilhas de protocolo. Todos esses recursos - FOC baseado em hardware, entradas / saídas configuráveis ​​por software e três pilhas de protocolo de comunicação - se encaixam em um tamanho de solução compacto que mede 4,197 mm².

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