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宽禁带设备优化了移动性,电动汽车的自主性,机器人技术

2019-11-16 17:48 来源:电源网编译 编辑:咩咩

汽车和工业电子产品需要高性能的解决方案,这些解决方案必须在减小设备尺寸的同时提供能源效率和可靠性。近年来,随着成本的降低,诸如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)器件等宽带隙半导体已成为这些应用中硅开关的越来越受欢迎的替代品。

GaN开关最流行的应用是逆变器,电压转换器和快速充电设备。GaN FET用于要求高开关频率的电路中,甚至在兆赫兹的数量级上。GaN的接通时间比具有相同RDS(ON)的MOSFET的接通时间快约四倍。像任何其他功率器件一样,GaN晶体管需要正确配置和成对的栅极驱动器,以确保器件完全,快速地开启和关闭,并且不会出现意外问题。

同时,与硅相比,SiC MOSFET技术大大降低了开关损耗,因此具有更好的导热性。SiC技术被公认为是可靠的替代硅技术,通常采用TO-247和TO-220封装,可在现有项目中直接替换MOSFET和IGBT。SiC MOSFET在较高的工作温度和频率下稳定运行,已吸引了研究人员对其在高功率密度功率转换器中的应用的兴趣。

无线充电

无线充电通过利用诸如高频电感和共振等物理现象,在短距离且无任何物理接触的情况下为电池供电,从而在彼此隔开一定距离的发射线圈和接收器之间传递能量。在汽车应用中,路面可以嵌入设备,这些设备允许兼容设计的电动汽车在道路上运输时“填充”其电池,而无需插入电源插座进行充电。

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图1:大功率无线充电系统(图片:WiBotic)

无线电动汽车(EV)充电使用通常放置在沥青下面的电感器和车辆上的接收器。无论车辆静止不动或运动中,磁性板都会自动为电池连续充电,从而进行充电。磁场强度变化产生的共振将能量从一个点转移到另一个点。由于充电器使用的是几十千瓦的锂离子蓄电池,因此充电仅需几分钟即可为车辆提供数公里的动力。

GaN Systems和WiBotic联手提供了大功率无线充电解决方案,该解决方案据称可在移动时代实现真正的自治。GaN Systems广泛的晶体管产品组合使其有可能设计出更小巧,更便宜,更高效的电源系统,以满足数据中心服务器,可再生能源系统,汽车发动机以及工业和消费电子产品等苛刻应用的需求。WiBotic为机器人,航空电子,移动和船舶设备提供无线充电和功率优化解决方案。其解决方案可帮助公司优化机器人机队的正常运行时间,并且是各个领域完全自主的机器人操作所不可或缺的。

WiBotic解决方案可为工业4.0工厂环境中使用的自主机器人实现大功率无线充电(图1)。

电力电子在向工业4.0过渡过程中起着至关重要的作用,重点是升级和更新分布在当前工业空间中的数亿个电动机,电动驱动器和机器人。工业用途占全球用电量的40%以上。GaN器件允许使用更小,更高效的电机以及更小的精度机器人。机器人技术将受益于引擎和无线充电技术的进步。

当前工业上的努力旨在提高移动工业机器人的能力,使它们摆脱当前方法施加的限制。为了使这些机器人高效,灵活且不间断地运行,必须通过无线充电站实现真正的自主权,从而消除了操作员与机器人建立物理连接的需求。功率半导体允许自主无线充电,以非常高的开关频率工作,以在较小的空间内获得高功率,这是不需要人工干预的充电系统设计中的必要功能。

WiBotic无线电源系统包括采用GaN Systems技术以实现高效率的组件。这些系统允许:

在数百瓦及以上功率下快速充电;可以执行自动加载,无需改变钩挂操作就可以改变位置的机器人;更长的机器人正常运行时间,这意味着需要更少的机器人来完成相同的工作量;并且没有电缆或活动部件,因此对系统可以提供的充电周期数没有限制。

GaN功率半导体

GaN Systems的旗舰产品GS-065-150是650V GaN功率晶体管,该公司称其为市场上最强大,最坚固的器件(图2)。与典型的IGBT相比,该器件可将开关损耗降低99%。

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图2:GS-065-150 650-V GaN功率晶体管(图片:GaN Systems)

基于GAN Systems功率晶体管的标准充电系统包括一个50 W无线功率放大器和一个小型高效控制板。它全面涵盖工业,太阳能,消费和运输应用,包括创新的AC / DC和DC / DC电源,能量存储系统,笔记本电脑AC充电器以及用于无人机,机器人,踏板车和5G设备的大功率无线充电系统。最新的汽车创新包括车载EV充电器,牵引逆变器和480W四通道LiDAR激光驱动器。

SiC MOSFET特性

与硅相比,SiC在导热率,开关速度和物理尺寸更小的设备方面具有优势。 SiC超结晶体管工作时开关损耗低,效率高,具有高温能力以及承受大电流短路的能力。它们的低传导电阻(RDS(on))和在整个工作温度范围内均具有出色的开关性能,因为降低了冷却要求,从而简化了电力电子系统的热设计,并提高了系统效率。 SiC的低开关损耗可实现更紧凑的设计并实现更小的无源元件。

“理想”开关可以在导通状态下传送高电流而不会出现电压降,在截止状态下可以阻止高电压而不会造成损耗,并且在状态之间进行转换而不会造成损耗。对于硅,很难同时实现这些特性,特别是在存在高电压和高电流的情况下。但是,SiC MOSFET具有三个理想的开关特性:高击穿电压,低导通电阻和高开关速度。

目前,SiC器件可在150°C至175°C的温度范围内工作,而热量限制主要是由封装引起的。一些使用特殊技术的SiC电源模块可以在250°C的温度下运行。此外,SiC的导热系数是硅的导热系数的三倍。这些特性有助于降低冷却需求,从而实现更小,更轻和更便宜的热系统。

生产中和道路上电动汽车数量的增加也增加了对通常由IGBT驱动的电气系统的需求。低频IGBT通常用于这些应用的逆变器和开关中。尤其是在电动汽车中,压缩机和加热器的能耗会影响行驶里程;因此,期望更高的效率。

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图3:ROHM功率器件特别适合汽车使用。图片:ROHM Semiconductor)

汽车市场的另一趋势是增加电池容量以改善行驶里程。罗姆半导体为此市场提供广泛的产品范围(图3),包括超低功耗微控制器,标准IC,SiC二极管,MOSFET和模块。其用于汽车应用的1200 V IGBT非常适合电子系统中使用的逆变器以及正温度系数(PTC)加热器中使用的开关电路。

越来越多的节能需求导致SiC功率半导体在400 VAC工业应用中得到采用。罗姆公司将用于工业设备的碳化硅MOSFET和控制电路集成在一个封装中,与传统的基于硅的设计相比,大大减少了零件数量,并最大程度地降低了组件故障的风险。该产品与硅相比,能效提高了5%,能耗降低了28%。这些功能可在工业应用中缩小产品尺寸,提高可靠性并节省更多能源。

优化了SiC MOSFET的性能,以最大程度地节省能源。应用包括通用逆变器,交流伺服,可编程逻辑控制器(PLC),生产设备,机器人技术和工业照明。罗姆不仅开发功率半导体,还开发集成电路,以提供优化的解决方案,从而有助于在工业设备中实现更大的节能和更高的性能。

本文编译自powerelectronicsnews。

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