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如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用

發(fā)布時間:2020-11-05 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】太陽能、電動汽車充電樁、儲能、不間斷電源(UPS)等能源基礎(chǔ)設(shè)施,工業(yè)控制、人機(jī)接口、機(jī)器視覺等自動化控制,工業(yè)伺服、變頻驅(qū)動、暖通空調(diào)(HVAC)等電機(jī)驅(qū)動,以及機(jī)器人和電動工具等工業(yè)細(xì)分領(lǐng)域是當(dāng)前市場的熱門應(yīng)用。在設(shè)計(jì)這些應(yīng)用時,工程師都要求更高能效、功率密度和可靠性。
 
作為全球第二大功率分立和模塊半導(dǎo)體供應(yīng)商,安森美半導(dǎo)體以豐富的電源專知提供廣泛的產(chǎn)品陣容,從硅到碳化硅(SiC),從分立器件到電源模塊,以及門極驅(qū)動器、運(yùn)算放大器、光耦等,乃至完整的參考設(shè)計(jì)、在線設(shè)計(jì)工具WebDesigner+、云平臺開發(fā)工具Strata Developer Studio和現(xiàn)場應(yīng)用支援,幫助工程師解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),從而更快設(shè)計(jì)出具競爭優(yōu)勢的方案。
 
太陽能方案
 
隨著能源和環(huán)境問題日益凸顯,太陽能作為一種清潔的可再生能源,前景可期。太陽能發(fā)電本質(zhì)上是直流(DC)技術(shù),需要逆變器(DC-AC)來發(fā)電。從硅轉(zhuǎn)向SiC半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)能效和性能的飛躍。隨著成本的優(yōu)化,越來越多的廠商開始采用SiC替代原來基于硅的逆變電路,以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度、更低的損耗、更低的電感/電容成本、更緊湊的尺寸。安森美半導(dǎo)體除了提供各種基于硅的涵蓋5 kW至250 kW輸出功率的3電平逆變器模塊和升壓模塊,也提供大量SiC MOSFET和SiC二極管方案陣容,以及門極驅(qū)動、運(yùn)算放大器等產(chǎn)品。
 
其中,NXH40B120MNQ系列全SiC升壓功率模塊已被全球領(lǐng)先的電源和熱管理方案供應(yīng)商臺達(dá)選用,用于支持其M70A三相光伏組串逆變器,實(shí)現(xiàn)高達(dá)98.8%的峰值能量轉(zhuǎn)換能效。SiC技術(shù)的使用提供了實(shí)現(xiàn)太陽能逆變器等應(yīng)用中所要求高能效水平所需的低反向恢復(fù)和快速開關(guān)特性。
 
以下是安森美半導(dǎo)體推薦的升壓及逆變器模塊。這些模塊都集成高速IGBT、Si/SiC二極管,實(shí)現(xiàn)高能效、緊湊的設(shè)計(jì),內(nèi)置熱敏電阻,提供高可靠性,采用焊接/壓合引腳,易于貼裝。
 
如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用
如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用
表1:推薦的升壓及逆變器模塊用于太陽能發(fā)電
 
高性能IGBT、智能功率模塊(IPM)和功率集成模塊(PIM)助力工業(yè)驅(qū)動控制
 
無人化和智能化正成為趨勢,電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)往往是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心。安森美半導(dǎo)體提供包括分立IGBT、IPM和PIM在內(nèi)的產(chǎn)品助力提升工業(yè)系統(tǒng)能效,滿足不斷提升的能效需求。
 
工程師評估一個IGBT性能,通常從飽和壓降、關(guān)斷損耗和抗沖擊力三方面評估,需要根據(jù)應(yīng)用的不同對IGBT做權(quán)衡設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體最新的IGBT工藝技術(shù)是用于950 V、750 V和650 V的場截止型第四代溝槽IGBT工藝,帶來業(yè)界最優(yōu)的飽和壓降設(shè)計(jì)和開關(guān)性能設(shè)計(jì),同時超場截止(UFS)工藝的1200 V第三代場截止型IGBT工藝代表了全球最好的工藝水平,抗沖擊能力大幅提高,并且開關(guān)性能和飽和壓降水平都領(lǐng)先于競爭對手。
 
安森美半導(dǎo)體用于驅(qū)動控制的分立IGBT產(chǎn)品系列抗沖擊力強(qiáng),可支持從3 A到160 A在內(nèi)的電流等級,包含從DPAK到Power 247在內(nèi)的各種封裝。而全塑封的IGBT系列采用TO-3PF封裝設(shè)計(jì),不需要絕緣墊片,降低安裝成本提高工作效率,同時可降低因?yàn)榻^緣墊片帶來的熱阻損耗,提高功率密度。
 
IPM將IGBT、高低壓驅(qū)動芯片和外圍阻容器件、二極管封裝在一個模塊中,實(shí)現(xiàn)了更靈敏準(zhǔn)確的保護(hù)功能,更簡單的外圍元器件設(shè)計(jì)、更簡化的生產(chǎn)工藝和更好的散熱性能。安森美半導(dǎo)體提供1200 V和650 V/600 V全系列的IPM產(chǎn)品,最高功率等級7.5kW,采用不同的基板技術(shù)(直連銅基板(DBC)、陶瓷基板、絕緣金屬基板(IMST)),滿足工業(yè)逆變、HVAC、泵、工業(yè)風(fēng)扇、空調(diào)、白家電乃至新興的工業(yè)機(jī)器人等不同應(yīng)用及成本需求。
 
如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用
圖1:安森美半導(dǎo)體的IPM陣容
 
在中大功率工業(yè)控制領(lǐng)域,為支持驅(qū)動電路的多種選擇,安森美半導(dǎo)體推出PIM模塊,如最新的壓鑄模功率集成模塊(TM-PIM),廣泛運(yùn)用于中央空調(diào)、變頻控制和伺服控制領(lǐng)域。TM-PIM集成3相轉(zhuǎn)換器、逆變器和制動器,采用創(chuàng)新工藝、可靠的基板和環(huán)氧樹脂壓鑄模技術(shù),比普通的凝膠填充電源模塊熱循環(huán)使用壽命提高10倍,功率循環(huán)使用壽命提高3倍。它將助推客戶終端逆變器系統(tǒng)長的使用壽命及高可靠性。該模塊采用先進(jìn)的厚銅基板,省去底板,比普通模塊減小57%的體積,且提高30%的熱阻,大大增加功率密度。
 
如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用
表2:安森美半導(dǎo)體已發(fā)布的TM-PIM
 
電動汽車充電樁方案
 
受政府節(jié)能和環(huán)保法規(guī)以及新基建等一系列政策驅(qū)動,汽車正迅速邁向電動汽車發(fā)展,市場期待充電樁達(dá)到更高的峰值能效以節(jié)省充電時間和增加續(xù)航里程。充電樁按充電能力分為4級?,F(xiàn)有充電樁多為1級或2級。而消費(fèi)者最感興趣的是直流快充。隨著功率增加和速度要求的提高,對MOS和SiC的需求越來越強(qiáng)。采用SiC方案將比硅方案小10倍,充電時用電量少60%,達(dá)到99%的峰值能效。
 
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表3:電動汽車充電樁按充電能力分為4級
 
安森美半導(dǎo)體為充電樁提供寬廣的方案,包括高性能MOSFET、IGBT及SiC產(chǎn)品陣容,實(shí)現(xiàn)更高能效、更環(huán)保、更快、更小、更輕、更高性價比和更快冷卻的優(yōu)勢,其MOSFET和SiC陣容如下:
 
如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用
表4:充電樁MOS – Easy Drive:用于硬/軟開關(guān),易驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)低EMI和電壓尖峰,優(yōu)化內(nèi)部Rg和電容
 
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表5:充電樁MOS – FRFET:用于軟開關(guān)拓?fù)?,更小的Qrr和Trr實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性
 
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表6:充電樁SiC二極管
 
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表7:充電樁SiC二極管:第1.5代減小正向壓降(第1代正向壓降 = 1.5 V)和Qc
 
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表8:充電樁SiC MOSFET
 
下面是一個15 kW/20 kW電動汽車充電樁方案:采用PFC + LLC拓?fù)?,?個Easy Drive MOSFET FCH040N65S3/FCH029N65S3,6個SiC二極管FFSH20120A/FFSH30120A,8個FRFET MOSFET NTHL040N65S3F/NTHL033N65S3HF,輸出端用16個SiC二極管FFSH2065B/FFSH3065B。SiC二極管能夠提供卓越的開關(guān)性能,且比硅具有更高的可靠性,無逆向恢復(fù)電流、溫度無關(guān)開關(guān)特性和卓越的熱性能,使系統(tǒng)具備更高能效、更快的運(yùn)行頻率、提高的功率密度、降低的EMI,以及減小的系統(tǒng)尺寸和成本。
 
如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用
圖2:電動汽車充電樁典型應(yīng)用框圖
 
服務(wù)器和工業(yè)電源市場
 
5G、云數(shù)據(jù)中心電源都對高能效和功率密度有非常高的要求。SiC器件高達(dá)98%的能效,完美契合5G和云電源市場的發(fā)展,SiC二極管用于無源PFC級,而氮化鎵(GaN)/SiC成為圖騰柱和LLC級的選擇。在輸入電壓220 V至230 V、輸出電壓400 V的條件下,普通的硅PFC方案采用連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)、雙升壓、全橋拓?fù)?,能效不?5%,2個電感使得開關(guān)頻率有限,且器件數(shù)多,占位大,而SiC賦能的PFC方案采用反激圖騰柱,實(shí)現(xiàn)更高能效(98%)、頻率、功率密度和雙向功率流,更少器件數(shù)。圖騰柱PFC是構(gòu)建80PLUS®Titanium標(biāo)準(zhǔn)電源的一種高性價比方案,用于數(shù)據(jù)中心、計(jì)算應(yīng)用和車載電池充電器。如Solantro的SA8000-N TP-PFC控制器結(jié)合安森美半導(dǎo)體的SiC MOSFET幫助實(shí)現(xiàn)超過99%的能效,并提供優(yōu)化的開關(guān)模式、可靠的啟動、高功率密度和更低的功率損耗。
 
輔助電源方案
 
無論是能源基礎(chǔ)設(shè)施,電動汽車充電樁,還是服務(wù)器,都需要輔助電源。反激轉(zhuǎn)換器是最流行的輔助電源拓?fù)洌驗(yàn)樗哂懈俚钠骷?shù)量和物料單(BOM)成本。對于小于30 W的輸出功率水平,內(nèi)置高壓MOSFET的AC - DC開關(guān)電源是易于設(shè)計(jì)和緊湊尺寸的首選方法。安森美半導(dǎo)體提供從3 W到30 W的廣泛的內(nèi)置高壓MOSFET的AC – DC電源開關(guān)產(chǎn)品陣容,包括NCP107x、NCP1067x和FSL5x8等。對于> 30W的輸出功率水平,通常采用AC - DC控制器IC加外部MOSET方法,以提供設(shè)計(jì)靈活性并簡化熱管理。為了提高功率密度和轉(zhuǎn)換能效,安森美半導(dǎo)體提供采用NCP1342的高頻準(zhǔn)諧振(QR)反激方案和采用NCP1568的零電壓開關(guān)(ZVS)有源鉗位反激方案。變壓器設(shè)計(jì)是反激設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為幫助電源設(shè)計(jì)減少開發(fā)工作量,安森美半導(dǎo)體提供一系列交鑰匙參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)電子表格工具。
 
安森美半導(dǎo)體的寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)
 
寬禁帶可以實(shí)現(xiàn)太陽能逆變器、服務(wù)器電源、電動汽車充電樁等設(shè)計(jì)的能效和性能飛躍,安森美半導(dǎo)體具備獨(dú)一無二的寬禁帶生態(tài)系統(tǒng),包括650 V、1200 V、1700 V SiC二極管,650 V、750 V、900 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET(全都符合車規(guī)認(rèn)證),GaN高電子遷移率晶體管(HEMT),SiC和GaN驅(qū)動器及集成模塊,乃至方案、仿真模型及設(shè)計(jì)軟件等,并與整個供應(yīng)鏈中的多家公司合作以降低價格并加快上市時間,其基于物理的模型平臺,可以在工程師測試器件前提供其在整個溫度范圍內(nèi)的性能。
 
總結(jié)
 
安森美半導(dǎo)體廣泛的產(chǎn)品陣容從IGBT和功率MOSFET,到門極驅(qū)動器、運(yùn)放、光耦、電源模塊,包括先進(jìn)的碳化硅及寬禁帶生態(tài)系統(tǒng),乃至完整的參考設(shè)計(jì)、現(xiàn)場應(yīng)用支援和線上輔助設(shè)計(jì)的資源及工具,都可幫助工程師解決太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁、服務(wù)器等應(yīng)用領(lǐng)域不斷提升的能效、功率密度和性能需求,推進(jìn)創(chuàng)新。
 
 
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