Обзор АТЭС: в центре внимания ГВБ и промышленность

Технические сессии на конференции и выставке прикладной силовой электроники (АТЭС 2021) отразили ключевые тенденции в энергетике в разных отраслях: спрос на более высокую эффективность, улучшенное управление температурным режимом и миниатюризацию. Эти требования наблюдаются во всех отраслях — автомобильной, промышленной, мобильных устройствах, центрах обработки данных и возобновляемых источниках энергии.

Чтобы решить эти проблемы, разработчики электроэнергии обращаются к полупроводникам с широкой запрещенной зоной (WBG), которые были подчеркнуты рядом устройств WBG, представленных на выставке. Устройства WBG, как из карбида кремния (SiC), так и из нитрида галлия (GaN), являются растущим сегментом рынка силовых устройств. Эти устройства обладают неотъемлемыми преимуществами по сравнению с кремнием, включая более широкую запрещенную зону и более низкие потери проводимости, находят дома в электромобилях (EV), телекоммуникациях и возобновляемых источниках энергии.

В то же время растет спрос на силовые устройства, которые подходят для тяжелых промышленных условий. Многие из этих устройств ориентированы на повышение общей эффективности и сокращение пространства на плате.

Вот подборка силовых устройств, представленных на APEC 2021.

Устройства ГВБ

карбид кремния technology делает большие успехи в производстве электромобилей благодаря нескольким преимуществам перед кремнием, включая лучшее переключение и улучшенные тепловые характеристики, что приводит к более высокой эффективности, более высокой удельной мощности и меньшим размерам. Одно из новейших устройств SiC для электромобилей произведено компанией ON. Полупроводниковое. Компания представила несколько Решения SiC, в том числе SiC на 650 В МОП-транзисторы и N-канальные SiC MOSFET на 1,200 В и 900 В. Компания также провела несколько семинаров по зарядке электромобилей вне бортовой сети.

Двое из ON ПолупроводниковоеПоследние продукты SiC, предназначенные для электромобилей, 1,200-В SiC MOSFET двухкомпонентные модули. Эти модули, основанные на планарной технологии, могут управлять напряжение диапазон 18–20 В. Устройства легко управлять с отрицательным напряжением затвора, заявили в компании.

Разработанный для зарядных станций электромобилей и сконфигурированный как полумост из двух блоков, NXH010P120MNF1 представляет собой устройство с сопротивлением 10 мОм, размещенное в корпусе F1, в то время как NXH006P120MNF2 представляет собой устройство на 6 мОм в корпусе F2. Пакеты оснащены запрессовываемыми штифтами, что делает их также пригодными для промышленного применения.

Модули SiC MOSFET также имеют встроенный термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) для контроля температуры. Помимо зарядки электромобилей, эти устройства могут использоваться в солнечных инверторах, источниках бесперебойного питания и системах хранения энергии.

Хотя технология SiC набирает обороты на рынках электромобилей, многие из устройств WBG, представленных на APEC, основаны на технологии GaN. Устройства на основе GaN обладают рядом преимуществ по сравнению с кремнием, включая меньший размер, более высокую теплопроводность и высокую эффективность. Вот несколько примеров от Efficient Power Conversion (EPC), GaN Systems, Nexperia, Power Integrations и Texas Instruments.

EPC продемонстрировала свои последние полевые транзисторы на основе GaN с улучшенным режимом работы (eGaN FET) и ИС для вычислений с высокой плотностью мощности, автомобилестроения, электронной мобильности и робототехники. Компания также провела несколько технических сессий, посвященных ее полевым транзисторам и интегральным схемам eGaN.

Новые продукты включают устройства распределения питания по шине 48 В, такие как EPC9137, двухфазный, 1.5–48 В, двунаправленный, мощностью 12 кВт. Преобразователь который работает с КПД 97% на очень небольшой площади. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток EPC9137 в 3 раза быстрее, на 35% меньше и легче, а эффективность более чем на 1.5% выше, чем у кремниевых МОП-транзисторов.

EPC также предлагает масштабируемую демонстрационную плату, которая позволяет подключить два преобразователя параллельно для достижения мощности 3 кВт или три преобразователя параллельно для достижения мощности 4.5 кВт. Плата оснащена четырьмя полевыми транзисторами eGaN EPC2206 100 В и управляется модуль включая 33-битный цифровой контроллер Microchip dsPIC256CK503MP16.

По заявлению EPC, полевые транзисторы EPC eGaN могут работать с КПД 97% при частоте переключения 250 кГц, обеспечивая 800 Вт / фазу по сравнению с решениями на основе кремния. Кроме того, можно уменьшить количество фаз с пяти до четырех для преобразователя мощностью 3.5 кВт при одновременном повышении эффективности, добавили в компании.

Компания также объявила о расширении своего портфеля полевых транзисторов eGaN на 80 и 200 В. Это включает EPC2065 и EPC2054 Электронные полевые транзисторы.

GaN Systems продемонстрировала свои новейшие решения на основе GaN для целого ряда приложений, от зарядных устройств для мобильных телефонов и ноутбуков до электромобилей. Одним из решений является эталонный дизайн резонансного LLC-преобразователя мощностью 3 кВт с высокой плотностью и эффективностью на основе GaN (ГС-ЭВБ-ООО-3KW-GS), предназначенные для центров обработки данных, телекоммуникаций и промышленных импульсных источников питания (SMPS). Полномостовой резонансный преобразователь LLC, объединяющий Транзисторы e-mode на 650 В, превосходит стандарт 80 PLUS Titanium для блоков питания, обеспечивая высокую удельную мощность (блоки питания переменного / постоянного тока) более 100 Вт / дюйм.³ и высокий КПД более 96%.

GaN Systems также продемонстрировала несколько потребительских зарядных устройств, в том числе Интеллектуальное зарядное устройство PD GaN мощностью 100 Вт с двумя портами USB-C и примеры высокоэффективных QR на основе GaN мощностью 65 Вт и Активные обратные зажимы мощностью 65 Вт (ACF) зарядные устройства. Что касается автомобилестроения, компания выделила автомобильные транзисторы 650 В, 60 А, которые соответствуют требованиям к высокой мощности, низким потерям и высокой надежности.

Nexperia подчеркнула свое семейство мощных полевых транзисторов GaN, сосредоточив внимание на устройствах на 650 В, а также на корпусе CCPAK для поверхностного монтажа. Некоторые из последних новинок включают в себя второе поколение Семейство силовых GaN FET-транзисторов на 650 В, предназначенные для серверных и телекоммуникационных источников питания.

GaN полевые транзисторы на 650 В соответствуют требованиям 80 PLUS Titanium к источникам питания (однофазные промышленные ИИП переменного / постоянного и постоянного / постоянного тока), работающих на мощности от 2 до 10 кВт, с R_{DS (на)} до 35 мОм (номинал). Их также можно использовать в солнечных инверторах и сервоприводах того же диапазона мощности.

Силовые GaN полевые транзисторы на 650 В H2, размещенные в корпусе TO-247, обеспечивают 36% -ную усадку размера кристалла при заданном R_{DS (на)} значение для лучшей стабильности и эффективности, заявили в компании. Кроме того, конфигурация каскода устраняет необходимость в сложных драйверах, ускоряя время выхода на рынок.

Nexperia также предлагает диапазон устройств на полевых транзисторах с GaN, в которых используется технология нового поколения высоковольтного GaN HEMT H2, предназначенная для применения в автомобилях, сетях 5G и центрах обработки данных. Устройства размещены в стандартном корпусе TO-247 и фирменном корпусе CCPAK для поверхностного монтажа с медным зажимом.

Power Integrations сосредоточила свои сессии APEC на решениях для драйверов двигателей BLDC, средствах автоматизации проектирования и устройствах PowiGaN. Одним из новейших устройств семейства PowiGaN является InnoSwitch4-CZ Микросхемы обратного переключения с технологией GaN, предназначенные для нового класса сверхкомпактных мобильных зарядных устройств.

Ассоциация InnoSwitch4-CZ Семейство высокочастотных интегральных схем обратноходового переключателя с переключением при нулевом напряжении включает в себя первичный переключатель на 750 В, использующий технологию PowiGaN компании, и новый высокочастотный контроллер ACF, что позволяет создать новый класс сверхкомпактных и сверхэффективных зарядных устройств для телефонов , планшеты и ноутбуки.

Комбинация активных клещей InnoSwitch4-CZ и ClampZero обеспечивает КПД до 95% и поддерживает очень высокий КПД при вариациях сетевого напряжения, нагрузки системы и выходного напряжения по сравнению со старыми подходами ACF, сообщает Power Integrations.

Наряду с несколькими техническими сессиями, среди продуктов, которые компания Texas Instruments Inc. выделила на APEC, были полевые транзисторы на основе GaN. В ноябре прошлого года TI заявила о выпуске первого автомобильного GaN полевые транзисторы со встроенным драйвером, защитой и активным управлением питанием для автомобильных и промышленных приложений. Расширяя свою портфель устройств управления питанием на полевых транзисторах с GaN, новый 650-V и 600-V GaN полевые транзисторы По словам представителей TI, удвоение удельной мощности и КПД 99% по сравнению с существующими решениями.

Кроме того, в сочетании с расширенными функциями управления в микроконтроллерах реального времени C2000, таких как TMS320F2838x или TMS320F28004x, LMG3522R030-Q1 GaN FET позволяет переключать частоты выше 1 МГц в преобразователях мощности, уменьшив размер магнетиков на 59% по сравнению с существующими решениями на основе кремния и SiC, сообщила TI.

Благодаря быстродействующему встроенному драйверу затвора с частотой 2.2 МГц GaN полевые транзисторы также интегрировать внутреннюю защиту и датчик температуры, что помогает уменьшить пространство на плате в конструкциях управления питанием. Эта интеграция, вместе с высокой плотностью мощности запатентованной TI технологии GaN, позволяет инженерам исключить более 10 компонентов, которые обычно требуются для дискретных решений, сказал TI. Кроме того, каждый из новых полевых транзисторов с сопротивлением 30 мОм может поддерживать преобразование мощности до 4 кВт при использовании в полумостовой конфигурации.

TI заявила, что автомобильные полевые транзисторы на основе GaN могут помочь уменьшить размер бортовых зарядных устройств электромобилей и преобразователей постоянного / постоянного тока на 50% по сравнению с существующими кремниевыми или SiC-решениями, предлагая электромобилям расширенный диапазон аккумуляторов, повышенную надежность системы и более низкую стоимость. .

По словам TI, для промышленных приложений новые устройства обеспечивают высокую эффективность и удельную мощность в приложениях для подачи переменного / постоянного тока, в которых важны низкие потери и уменьшенное пространство на плате. Приложения включают гипермасштабируемые и корпоративные вычислительные платформы, а также телекоммуникационные выпрямители 5G.

Промышленная мощность

В этом году Infineon Technologies AG представила на APEC целый ряд решений для управления питанием, от кремниевых до устройств WBG, охватывающих широкий спектр приложений, от вычислений и центров обработки данных до возобновляемых источников энергии и электронной мобильности. Компания также особо отметила свою линейку продукции для промышленной мощности и управления двигателями.

Одно из устройств, представленных Infineon, является последним дополнением к его EiceDRIVER портфель продуктов, 6EDL7141 ИС трехфазного драйвера затвора для расширенного управления двигателем в бытовых и промышленных приложениях с батарейным питанием. Программируемое решение для расширенных приложений управления двигателями, предназначенное для обеспечения более высокой плотности мощности и повышения эффективности системы, заключено в 48-контактный разъем VQFN с площадью основания 7 × 7 мм². В сочетании с Infineon МОП-транзисторы, устройства предлагают комплексное решение.

Ключевые особенности EiceDRIVER 6EDL7141 включают интерфейс SPI для конфигурации выхода привода затвора, интегрированный источник питания и двойные зарядные насосы для обеспечения всех функций системы. Благодаря диапазону рабочего напряжения от 5.5 до 60 В и настраиваемому току возбуждения до 1.5 А устройство может управлять широким спектром полевых МОП-транзисторов. Он также предлагает регулируемую настройку напряжения питания драйвера затвора между 7 В, 10 В, 12 В и 15 В.

Интегрированный доллар регулятор требуется только внешний конденсатор и Индуктор по словам Infineon, чтобы обеспечить питание как микроконтроллера, так и датчиков Холла в двигателе, что уменьшает пространство на плате и количество необходимых внешних компонентов.

ON Semiconductor выпустила несколько интегрированных силовых модулей для промышленного применения. Два новых встроенные модули коррекции коэффициента мощности преобразователь-инвертор (PFC) предназначены для промышленных приводов двигателей, сервоприводов и систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, где они используются для привода двигателей для приложений, включая вентиляторы и насосы.

Ассоциация NXH50M65L4C2SG и NXH50M65L4C2ESG представляют собой интегрированные силовые модули с литым трансфером, предназначенные для тяжелых промышленных применений с высокой выходной мощностью.

Модели NXH50M65L4C2SG и NXH50M65L4C2ESG на основе стандартного оксида алюминия (Al₂O₃) подложка и подложка с повышенным низким термическим сопротивлением, соответственно, содержат преобразователь-инвертор-PFC схема состоит из однофазного преобразователя с четырьмя выпрямителями на 75 А, 1,600 В. Трехфазный инвертор (NXH50M65L4C2ESG) использует шесть 50 А, 600 В. IGBTs с инверсными диодами, а двухканальный чередующийся PFC (NXH50M65L4C2SG) объединяет два PFC IGBT на 75 А, 650 В с инверсными диодами и два диода PFC на 50 А, 650 В. Встроенный терморезистор NTC позволяет контролировать температуру устройства во время работы.

По словам ON Semiconductor, благодаря предварительно собранному и оптимизированному модулю паразитные элементы очень малы по сравнению с дискретными конструкциями на основе печатных плат, что позволяет использовать широкий диапазон частот переключения PFC от 18 кГц до 65 кГц.

ON Semiconductor также заявила о первом в отрасли универсальном контроллере PFC для автономных источников питания сверхвысокой плотности. В NCP1680 Контроллер PFC с тотемным полюсом в критическом режиме проводимости использует новую архитектуру ограничения тока и определение фазы линии вместе с проверенными алгоритмами управления.

По заявлению компании, заменив диоды выпрямительного моста переключателями в конфигурации с тотемным полюсом и «задействовав функцию повышения коэффициента мощности», NCP1680 может снизить потери в мосте и повысить общую эффективность. Кроме того, NCP1680 может поддерживать любой тип переключателя, включая кремниевые МОП-транзисторы с суперпереходом или переключатели WBG, такие как устройства SiC или GaN.

Интегрированное устройство может использоваться в проектах источников питания для телекоммуникационных сетей 5G, промышленных и высокопроизводительных вычислений, которые работают от универсальной сети (90–265 В переменного тока) при рекомендуемых уровнях мощности до 350 Вт. Например, от сети 230 В переменного тока. При питании от сети, схемы коррекции коэффициента мощности на базе NCP1680 способны обеспечить КПД, близкий к 99%, при мощности 300 Вт.

Компания TI также продемонстрировала интегрированный контроллер постоянного / постоянного тока, который снижает кондуктивные помехи и снижает размер источника питания в автомобильных, промышленных и коммуникационных приложениях. Компания утверждает, что это первые Контроллеры DC / DC со встроенным активным фильтром электромагнитных помех (AEF) которые помогают инженерам разрабатывать самые компактные источники питания с низким уровнем электромагнитных помех (EMI). Помимо встроенного AEF, новое семейство синхронных понижающих контроллеров постоянного / постоянного тока - LM25149-Q1 и LM25149 - включает технологию двойного случайного расширения спектра, которая дополнительно помогает снизить влияние электромагнитных помех.

Есть несколько сценариев, по которым новый LM25149-Q1 и LM25149 Контроллеры DC / DC помогают проектировщикам питания. Согласно TI, устройства могут либо уменьшить площадь внешнего фильтра электромагнитных помех вдвое и снизить кондуктивные электромагнитные помехи силовой конструкции на целых 55 дБмкВ в нескольких частотных диапазонах, либо добиться сочетания уменьшенного размера фильтра и низкого уровня электромагнитных помех.

Интегрированный AEF, уменьшая нагрузку на фильтрацию на пассивные элементы, уменьшает размер, объем и стоимость пассивного фильтра EMI, позволяя инженерам достичь минимально возможной конструкции с низким уровнем мощности EMI, сообщает TI. Встроенный AEF может уменьшить размер фильтров электромагнитных помех до 50% по площади и 75% по объему. Понижающие контроллеры также имеют синхронизацию частоты с внешними часами, что дополнительно снижает электромагнитные помехи.

К другим функциям, которые помогают увеличить плотность мощности, относятся двухфазная работа с чередованием и интеграция бутстрапного диода, компенсации контура и компонентов обратной связи по выходному напряжению. TI отметила, что у инженеров есть возможность использовать внешнюю обратную связь и компенсацию контура для дальнейшей оптимизации своих конструкций.

Trinamic Motion Control GmbH & Co. KG, теперь часть Сентенция Integrated Products Inc., представленная перед АТЭС и эталонный дизайн оснастки на конце руки для промышленной робототехники и одноосного сервоконтроллера / драйвера со встроенным управлением движением.

Открытый исходный код TMCM-1617-GRIP-REF Эталонный дизайн объединяет аппаратное полевое управление (FOC) и три коммуникационных порта, поддерживающих промышленную связь EtherCAT, IO-Link или RS-485. Эталонный дизайн отличается промышленным MAX22000 высокоточный конфигурируемый аналоговый ввод / вывод и MAX14906 четырехканальный цифровой вход / выход для настройки нескольких режимов Trinamic ТМСМ-1617 одноосный сервопривод.

Trinamic сказал, что конструкция уменьшает размер роботизированных захватов в 3 раза при сокращении времени разработки вдвое благодаря полностью интегрированной интеллектуальной аппаратной платформе, которая обеспечивает алгоритмы управления двигателем, а также стеки протоколов. Все эти функции - аппаратный FOC, программно конфигурируемые входы / выходы и три стека протоколов связи - умещаются в компактном решении размером 4,197 мм.².

об эффективном преобразовании мощности (EPC)GaN Systems Inc.Infineon TechnologiesNexperiaON SemiconductorPower IntegrationsTexas InstrumentsTRINAMIC