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解读电源三大热门领域的技术方案

日期: 2017-05-10
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  作者/ 迎九 王金旺《电子产品世界》编辑

  本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201703/345931.htm

  摘要:在智能化 、网络化的当下时代,各种新型电子产品层出不穷,而在各电子产品中,电源模块一直都是不可避免的课题,随着新材料和新工艺不断涌现、不断发展,电源模块的的各方面性能也不断得到完善。本次专题就功率器件、光伏和隔离器三个方面,邀请业内专业人士共同探讨电源的发展和革新。

  功率器件与电源模块

  电源管理器件需要小尺寸提供高效率

  开关稳压器的控制方式一般采用电流控制模式,但是负载电流变动的过渡响应特性有时达不到要求的规格。作为解决对策,可使用滞后控制方式的开关稳压器,该稳压器属于滞后控制中的一种固定导通时间控制,可反馈输出电压生成的纹波电压波形,并用比较器比较纹波电压底部和基准电压后进行开关控制,据此将输出电压保持到一定水平。反馈电压低于基准电压时,生成单脉冲并导通高边开关,从而从输入端向输出端供应电流。用比较器单纯地进行比较并逐次进行开关控制,几乎没有反馈控制的时间迟延,所以与电流控制模式相比,可获得更快速的过渡响应特性。

  H3RegTM控制是固定导通时间控制的进化版,是ROHM独有的控制方式。负载电流急剧增加时,输出电压降低;在超过反馈电压决定的导通时间,输出电压也未能超过基准电压时,通过延长高边开关的导通时间提供更多电力,加快输出电压恢复的速度。据此,可得到比固定导通时间控制更快速的过渡响应特性。另外,由于负载急剧变化时,开关次数少,所以可减少噪声发生。

  工业应用

  工业应用电源多需要高电压降压转换器,以较小的方案尺寸提供高效率,ROHM利用尖端的功率系统工艺和垂直统合型一条龙生产线,面向非常重视可连续工作的可靠性和长期稳定供应的工业设备市场,开发出众多新产品。例如,ROHM面向需要大功率(高电压×大电流)的通信基站和工业设备领域,开发出耐压高达80V的MOSFET内置型DC/DC转换器 "BD9G341AEFJ"。BD9G341AEFJ"采用功率系统工艺0.6?m的高耐压BiCDMOS作为非绝缘型DC/DC转换器,实现了80V的业界高耐压水平,在ROHM的DC/DC转换器产品阵容中,也是耐压最高的产品。利用ROHM擅长的模拟设计技术优势,在80V级的DC/DC转换器中,还实现了业界较高的转换效率。与一般产品相比,本产品即使输出引脚发生意外短路(接触),也可通过保护电路抑制发热,从而防止产品受损,因此,有助于提高应用产品的可靠性。不仅如此,这些优势仅通过简单的小型8引脚封装即可完全实现,可减少安装面积和周边零部件数量。

  用高密度提升产品性能

  Vicor以砖式或模块电源闻名。相比于很多IPM(智能功率模块)和功率器件等产品,Vicor做的是模块化电源系统。而IPM,通常是功率器件或电源器件与控制芯片的集成。相比后者,Vicor的砖式或模块的集成度更高,里面有功率器件、控制芯片与很多信号调理电路,利用独特的拓扑结构,实现高密度、高效和高可靠性。

  Vicor高密度产品

  Vicor的AD/DC集成方案是内部的两级拓扑,前级是零电压开关的升降压转换器,后级是零电压零电流的母线转换器结构。一般的电源转换器都是两级结构,而Vicor与一般产品对应的是单级变换,因此,Vicor的优势是成本较低。但单级效率不太容易提升,Vicor现在的DC/DC已经是两级,使效率和密度都上去了。

  另外,Vicor的ZVS buck(零电压开关)转换器采用软开关技术的降压芯片,不仅如此,升降压、升压等也都是零电压开关,因而损耗低,开关频率可以做到1MHz以上的高频。

  数据中心:48V直转CPU

  Vicor已经为Intel VR13 48V做了很多年产品。2016年3月9日,谷歌发布基于48V的方案,并在OCP(开放计算项目)上宣布采用了Vicor方案。另外,在今年召开的Facebook OCT会上,已有客户明确提出采用48V方案。与此同时,国内也有一些厂商在做48V转CPU方案了。

  目前,本土会有试用48V转CPU方案。国外已出货几百万片(例如谷歌等)。实际上,国内的天蝎2.5已包括48V电源,但是48V转12V,预计天蝎3.0今年会发布,有可能直接接到CPU,有可能有48V母线选项。

  具体地,Intel的VR13是对CPU的电压调整(VR)规范,涉及动态响应、电压调整精度、负载线变化等,指标非常严格,近乎苛刻。所以入围Intel VR13的朋友圈已经实属不易,而Vicor却可以提供成熟应用的方案。

  实际上,48V转CPU的电压效率,与12V转CPU的效率差不多,但是输入48V进来,反向的损耗或母线排上的损耗减少会很多,电流只有其1/4。

  工业用电源及电源管理器件的新进展

  随着各大行业的飞速发展,对工业电源的可靠性、容量/体积比、安装等要求越来越高。对此,工业电源的发展有以下几个方面的趋势:1)更高功率密度,不断提升转换效率、可靠性;2)便于安装和扩容,简化应用;3)应用数字信号控制技术,形成与外界的数字化通讯接口;4)提高集成度,走向智能化。

  作为工业设备核心器件的工业电源当以市场需求为导向,着力突破制约电源发展的关键电路设计与制造技术。

  金升阳各系统中的应用方案

  近几年,金升阳以解决客户在实际应用中遇到的诸多难题为目标,利用数百项专利技术,针对智能电网、新能源、轨道交通、医疗、充电桩等领域开发了一系列行业专用电源,并已经成功地应用在各个系统中。如:

  智能电网领域:发电环节,配合新能源开发,PV系列电源针对1500V光伏系统研发,适用于光伏汇流箱、光伏逆变器等系统;变电环节,PV45系列电源针对SVG行业研发,可直接从高压母线取电给控制系统供电;配电环节,MBP系列充电电源适用于DTU、TTU等系统;智能管理环节,LS/LD系列AC-DC电源应用于智能电表、仪器仪表中。

  轨道交通领域:6-150W URB1D/URF1D系列DC-DC电源满足EN50155铁标认证,适用于72V、96V、110V 的铁路车载电子设备以及轨旁电气设备,如铁路监控设备、空调控制器、信息显示屏、门控系统等。

  医疗领域:G(H)_S系列DC/DC电源和LH-MU系列AC-DC电源满足第三版医疗认证,适用于注射泵、多功能监护仪、营养箱等诊断类或辅助类医疗器械。

  充电桩领域:CAN/CAN-FD/RS485系列通讯模块、宽压DC-DC模块、LO/LM/LI系列AC-DC模块等适用于直流充电桩和交流充电桩系统。

  汽车电子领域:CF系列DC-DC电源符合AEC-Q100设计标准,适用于车用通讯系统电机控制器、发动机控制系统、电池管理系统(BMS)等系统。

  电源管理的智能化是大势所趋

  Maxim Integrated TTS Asia应用工程师经理魏智认为,电子产品小型化是许多领域的共同主题,消费类电子从便携到可穿戴;工业4.0带动了尺寸更小、功能更强大的uPLC需求。轻、薄、小是各大品牌推广产品的关键词,而支撑市场发展的背后离不开电源管理技术的进步。功率密度的不断提升,电源管理的高度智能化是电源技术发展的大势所趋。无论是大功率数据中心、中等功率的工业应用,还是低功耗便携设备,单位面积能够产生的输出功率都是非常重要的指标。为此,我们始终在先进工艺、封装技术、设计和系统架构上不断创新。Maxim最新推出的MAX17222 nanoPower boost,具有业内高效率和300nA低静态电流(IQ),相比同类产品可减少多达50%的方案面积,并提供95%的峰值效率,使发热降低。帮助可穿戴及消费类IoT设计在更小尺寸内实现更强大的功能与性能,获取更长的电池寿命。

  低功耗系统管理

  提升吞吐率是工业、数据中心、消费类电子,甚至汽车电子等应用领域的关键,而实现这一目标的核心技术在于低功耗系统管理。电源管理器件是Maxim销售收入的重要来源,我们不仅在消费类产品提供领先的解决方案,同时也致力于汽车、工业、通信和数据中心等应用领域的创新技术,提供高性价比电源产品。

  在汽车领域,电子零部件使用比例的增加不仅带动了PMIC需求的上升,还促进了汽车销量的提升。同时,电动和混合动力汽车也对PMIC提出了新的需求和挑战。Maxim的汽车电源可以工作在低至3.5V,甚至2V的输入电压环境下,同时可承受高达40V/42V的抛负载电压。99%的占空比确保汽车起停或冷启动是保持稳定的输出电压。较高的工作频率以及扩频模式,既可避开对AM波段的干扰,又可以解决EMI问题,并允许使用小尺寸外部元件。

  在大数据和云计算领域,数据中心的革命正在进行——越来越多的企业服务器迁移到了云端。这一革命驱动着新系统架构和商业模式的衍生,并推动着云计算和大数据应用对PMIC需求的提升。Maxim的电源管理方案能够帮助用户从容应对这一挑战。

  光伏

  中国市场需要创新应用

  中国光伏市场的起步略滞后于国际上领先的欧美国家,但发展迅猛,在相当短的时间里,集中式逆变器技术和电站安装量都处于世界领先地位。集中式逆变器技术发展来自于专业的光伏逆变器企业,以及不间断电源和风电变流器企业。他们在市场迅猛发展靠的是以前的技术积累,而且这些年轻的企业有着很强的创新精神,没有沿袭国外逆变器的传统设计,而采用了来自英飞凌的新技术,如PrimePACK?3和 EconoDUAL?3等功率半导体新技术,使得中国光伏逆变器的市场竞争能力前所未有地强大。

  光伏系统朝着1500V直流方向发展,针对新的应用,我们会准备全新的技术方案。采用IGBT5 .xt技术的新一代PrimePACK?3可以使得单机容量做到1MW以上,真正体现1500V光伏系统的价值。为推动1500V光伏系统技术,我们在和有设计咨询能力第三方实验室及认证机构合作,服务于整个产业链。

  中国市场需要多元化技术

  本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201703/345931.htm

  随着中国分布式光伏发电市场的起步,客户的需求又有了新的特点,欧美和大洋洲是分布式式光伏发电成熟市场,逆变器技术成熟,各家都有自己的技术方案,甚至专利电路,以追求更高的效率为目标。中国逆变器企业必须要有创新才能赢得这一市场,他们的技术一定是多元化,需要定制一些IGBT模块来帮助客户和行业实现技术超越。为了加强与客户的技术合作,提高对中国客户的支持水平,我们建立了联合实验室这样一个有效平台,共同探讨器件和系统的技术发展趋势和解决方案,一起在实验室解决功率器件的应用问题。

  中国发展分布式发电所需要的组串型逆变器正好赶上英飞凌IGBT技术发展的锲机,我们开发了适合三电平应用的TRENCHSTOP?5的几款芯片,有高速H5、S5系列,还有低饱和压降的L5系列,使客户有机会在电路的拓扑结构和控制技术方面进行创新。相信中国分布式发电起点会相当高,发展非常快。

  光伏客户期望20年以上的寿命,功率器件也是一瓶颈,需要我们的技术工艺保证,需要我们质量体系的保证,同时也需要在应用层面做好可靠性设计,这是需要我们与客户共同努力实现的。

  光伏逆变器的新方向

  太阳能/光伏的应用市场会继续稳步成长,特别是在中国。在技术上,逆变器会朝向更高的能效、允许更宽的电池板输入电压、更小的体积、更高的可靠性方向发展。所以,更高频化的应用和新材料,如碳化硅(SiC)的应用、更多的功能、集成化多电平的模块应用等方面,可能是未来逆变器设计的一些主要方向。

  安森美提供高能效和更小漏电流解决方案

  安森美半导体一直致力于新能源领域,同时非常注重新技术的开发与新材料器件的应用。在光伏逆变器上,我们推出了我们第三代的超级结MOS管,相比前一代产品,新一代的MOS管利用电荷平衡技术,大幅减少了导通电阻RDS(on)与门极电荷Qg,可使系统的能效显著提高,并承受极端dv/dt额定值。如N沟道MOSFET FCH023N65S3_F155和FCH040N65S3_F155,100%经过雪崩击穿测试,RDS(on)典型值分别为19.5 mΩ、35.4 mΩ,Qg典型值分别为222 nc、136 nc。在IGBT方面,Trench沟道的第四代的场截止(Field-stop) IGBT大幅减小了关断损耗,从而可以使IGBT在更高的频率下工作,来满足更高的功率密度的要求。如FGH50T65SQD_F155和FGH75T65SQD_F155,具备高电流能力、高输入阻抗、快速开关和紧密的参数分布等特性。另外,SiC二极管也是安森美半导体在光伏应用中的一个拳头产品,目前已经量产。相比于竟争对手的方案,我们有更高的能效和更小的漏电流。

  安森美半导体不光在分立器件上有业界领先的产品,我们也结合我们在功率模块上的先进技术,推出了我们的太阳能功率集成模块 (PIM)。集成化的模块包括了IGBT及整流器,采用安森美半导体的专有沟槽场截止技术(FS)及强固的超快快速恢复二极管,配置为中点钳位式T型拓扑结构,能效可超过98%。可配置的封装平台采用大功率直接键合铜(DBC)基板技术及专有的压合(press-fit)引脚,可以提供更高的功率密度、更高的性能与更高的可靠性。

  三菱电机的第7代IGBT技术提升

  随着储能相关技术的发展,以及相关标准的制定和出台,储能技术将对电网的稳定运行提供保证。这将促进光伏发电市场的进一步扩大和发展。

  从大的市场需求来看,由于受到补贴调整等国家政策的影响,集中式光伏电站的市场占比将在未来呈现下降趋势,而分布式光伏发电的市场份额将呈现增长趋势。

  为了应对补贴下降带来的影响,市场对光伏组件和光伏逆变器的成本降低的需求将加强。目前来看,1500V等更高电压的光伏组件将在成本降低方面将会很大程度上弥补支付补贴的下降。因此,随着市场的期待,诸如1500V等更高电压的光伏组件将会加快进入到市场的步伐。另外,光伏发电的效率和可靠性等要求也将相应提高,以提高光伏电站的产出,并降低光伏电站和光伏逆变器的维护成本。因此,新技术在光伏电站和光伏逆变器中的应用需求将不断加强,并且将促进光伏发电行业的良性竞争和健康发展。

  三菱电机的1500V光伏逆变器应用模块

  针对光伏发电市场向更高电压的发展,以及对效率的需求,三菱电机推出了面向1500V光伏逆变器应用的模块,包含新型封装的1合1模块和第7代标准封装的IGBT模块。

  新型封装的1合1模块额定电流大,适用于不并联或者少并联的需求,而且1合1的封装能够灵活组成T型三电平或者I型三电平拓扑,以满足客户的多样化需求。

  第7代NX封装的IGBT模块采用了三菱电机最新一代的CSTBTTM硅片和RFC二极管硅片技术,同时兼容业界主流器件封装,因此有助于实现光伏逆变器更高的效率,并提高逆变器的竞争力。另一方面,第7代IGBT模块所采用的一体化基板和直接树脂灌封的SLC技术,将大大提升模块本身及其所应用的光伏逆变器的寿命。总之,这是一个性价比极高的解决方案。

  隔离器

  工业领域的磁耦驱动新技术

  近两年,碳化硅材料(Silicon Carbride, SiC)进入应用领域。SiC半导体具有宽禁带、高击穿电场、高饱和漂移速度和高热导率的优异特性,正在推动工业领域对功率设备在功率密度方面的革命。

  磁耦技术源自成熟的隔离变压器驱动技术,通过将微观级的无磁芯线圈埋置于芯片封装内,提高了电路集成度,并保证了产品性能的稳定。

  相对于现有光电耦合和电容耦合,磁耦合产品更适合在大功率密度的产品中应用。

  ROHM公司推出了系列磁耦驱动芯片,从输入信号到驱动功率输出,信号最大延时误差约为130ns。该性能基本满足了客户开发200kHz以内的功率转换设备。相对于现在普遍采用的IGBT在20kHz的工作频率,开发同功率产品的体积和重量可以得到明显的改善。

  同时,针对高频驱动,在电路上通过将功率电源与信号分开传输,满足了高频方案的要求。

  传统的隔离变压器技术同时传递控制逻辑信号和功率电源。似乎效率非常高。但是在SiC应用场合,由于控制频率可以从6kHz~200kHz(SICMOSFET可以对应MHz的开关频率),在如此宽的频率变化范围,变压器对功率传递的效率会有很大的变化,造成的结果是在被动传输的条件下,输出驱动电压会有很大的波动。这对现阶段的SiC MOSFET的非常敏感的Gate驱动电压范围是非常致命的。

  而磁耦驱动通过独立的信号传输及可控制的功率传输,避免了功率转换设备在不同频率下的效率波动。适用于高频率的能量转换。

  同时,针对于新的SICMOSFET应用,ROHM设计的磁耦输出电压从原来的最大输出电压+20V提高到+30V。SiC MOSFET要求Gate驱动电压接近20V。而SI工艺的SI或IGBT驱动电压仅要求大于12V。

  TI将增强型隔离器效率提升80%

  隔离器经历了三代发展。第一代通常是光耦隔离,用变压器进行AC-AC隔离;第二代是数字型隔离器:既可以用来做电源隔离,也可以做信号隔离;最新的第三代是增强型隔离器,它相对于前一代产品做了一个基本绝缘,例如,基本绝缘的隔离电压等级是3000V,增强型要做到6000V以上,甚至10000V浪涌的电压。

  从信号隔离到电源隔离是一个集成的解决方案。这样可以减少BOM(物料清单)和PCB(印制板)的尺寸;同时,集成在一个器件中,更容易进行系统认证,器件的减少也会带来系统的稳定性。

  TI推出的ISOW7841是一款具有集成电源的新型单芯片增强型隔离器,兼具更低辐射和更高转换效率。该隔离器采用电容隔离技术,可以更好地做到更高的绝缘隔离电压,传输的效率也是可以做到更高;采用展频的技术,把整个频谱进行扩展,将其变成一个平台型,整体往下平移,从而可以做到10DB的优势,提供更低的EMI(电磁干扰)对外辐射能力。

  Linear的μModule隔离器

  Linear的μModule隔离器适合各种严苛的信号环境以及多种隔离接口,诸如RS485、SPI、MOS开关、USB、I2C、RS232、CAN等。

  μModule的特点是隔离度高,可达到7500VRMS的隔离度,ESD防护能力强,有高达25kV的ESD坚固防护接口引脚,可承受大于30kV/μs的高共模瞬变,且有低EMI——低于CISPR 22 Class B的限值。

  在上海慕尼黑展会上,Linear有展示隔离效果的demo(展示),首先通过μModule一体化隔离式Anyside开关控制器LTM9100。在其电路周边会产生很强的噪声,例如一直有开关在切换的动作,表示电压时有时无,会产生很大的噪声。并在原副边加了240V的电压(注:可见电路板上面部分中,一些小灯泡在闪烁小火苗)。此时,数据经过LTM2889(CAN隔离器)、LTM2881(RS485隔离器)、LTM2887(RS232隔离器)、LTM2887(I2C隔离器)等,最终进达LCD显示。可见显示屏依然顺利地实现了操作。这说明数据可以在强噪声环境里依然可以可靠地传输,误码率极低,没有丢包或误码现象。

  参考文献:

  [1]王莹,叶雷。面向智能化和物联网的电源解决方案[J].电子产品世界,2015(4):9-15.

  [2]Tony Armstrong.适用于所有场合的数字电源系统管理[J].电子产品世界,2015(6):60-62.

  [3]王莹,王金旺,Tony Armstong,等。电源的六大酷领域及动向[J].电子产品世界,2016(4):6-12.

  [4]Mark de Clercq.传感器、集成和电源管理的进步推动可穿戴技术的发展[J].电子产品世界,2016(4):21-23.

  [5]管玉华。新国标下的交流充电桩电源及信号接口解决方案[J].电子产品世界,2015(7):74-75

  本文来源于《电子产品世界》2017年第4期第12页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

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