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適用于任何行業(yè)的高性能電源控制

張龍祥 ? 來(lái)源:harmonin ? 作者:harmonin ? 2022-08-09 08:02 ? 次閱讀

近年來(lái),電力電子半導(dǎo)體市場(chǎng)出現(xiàn)快速增長(zhǎng),主要是由于電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(EV/HEV)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的IGBT器件銷量增加。MOSFET 需求受到汽車電氣和網(wǎng)絡(luò)以及電信市場(chǎng)的推動(dòng),由于 5G 網(wǎng)絡(luò)的普及,未來(lái) 3 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.3%。除了日益嚴(yán)格的效率要求外,EV / HEV 細(xì)分市場(chǎng)還受到二氧化碳減排目標(biāo)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)。工業(yè)領(lǐng)域新動(dòng)力系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和相關(guān)控制的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新需要分立的高性能組件。新復(fù)合材料的使用可以通過(guò)提高所創(chuàng)建系統(tǒng)的效率來(lái)滿足這一需求。

一切都是“力量”

今天,電子功率界眾所周知,碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 半導(dǎo)體材料顯示出優(yōu)異的性能,與常見(jiàn)的硅基器件相比,允許在更高的電壓、更高的溫度和更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。

“我們可以看到市場(chǎng)明顯分為三個(gè)部分,” Maxim Integrated 的首席技術(shù)官Dave Dweley說(shuō)。“這些細(xì)分市場(chǎng)中的每一個(gè)都適合不同的半導(dǎo)體材料。大約 50 伏及以下的低壓部分非常適合硅器件。III-V 族半導(dǎo)體類型所具有的優(yōu)勢(shì),即全球范圍內(nèi)的 GaN 和 SiC 以及砷化鎵,都被其成本結(jié)構(gòu)所克服,只是它們的制造量與硅的制造量不同,因此它們不‘不具有相同的成本優(yōu)勢(shì),或受到其他技術(shù)問(wèn)題的影響。

氮化鎵是一個(gè)很好的例子,其中實(shí)際的內(nèi)部晶體管具有極高的性能,但將電流從晶體管輸出到電路板上的導(dǎo)體不如硅。

在非常低的電壓下,這些導(dǎo)體成為主要電阻,因此,GaN 在性能上沒(méi)有表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。對(duì)于低于 50 伏的電壓,硅就是答案。對(duì)于 50 到 400 伏之間的電壓,我們認(rèn)為 GaN 被證明是更好的選擇,因?yàn)檫@是寄生效應(yīng)不會(huì)受到太大影響的工作區(qū)域,并且 GaN 正在迅速獲得更好的成本結(jié)構(gòu)。然后在大約 500、600 到數(shù)千伏以上,碳化硅有一個(gè)很好的故事要講。”

使 SiC 在工業(yè)系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)因素可能表現(xiàn)為 SiC 承受“雪崩”條件的能力,這可能發(fā)生在感性負(fù)載中,即使 GaN 的值有所提高。

電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用 SiC 器件目前代表了一個(gè)真正的創(chuàng)新時(shí)刻,特別是對(duì)于汽車和工業(yè)自動(dòng)化控制。

電機(jī)控制IC還有助于執(zhí)行各種操作,例如選擇電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、選擇和調(diào)整速度、防止過(guò)載、限制或調(diào)整扭矩以及防止故障。

由于生產(chǎn)技術(shù)、創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步的快速變化,到 2022 年,汽車和運(yùn)輸行業(yè)將在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量和價(jià)值方面占據(jù)最大的市場(chǎng)份額。全球?qū)λ欧?qū)動(dòng)器、控制器和電機(jī)的需求也很旺盛,因?yàn)樗鼈兛梢詭椭髽I(yè)提高生產(chǎn)效率。當(dāng)前的電機(jī)控制技術(shù)涉及使用微電子設(shè)備來(lái)提供更好的速度、位置和扭矩控制,以及更高的效率。

圖 1:緊湊型 4.5V 至 36V 全橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于每種類型的電機(jī),都有引導(dǎo)和速度和/或扭矩控制技術(shù):從直流和通用電機(jī)的電壓和電流的簡(jiǎn)單控制,到交流電機(jī)的逆變器的使用,再到無(wú)刷電機(jī)中不同相位的反饋切換,用于復(fù)雜步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)序列的數(shù)字電路(圖 1)。

檢測(cè)失速或過(guò)載情況,或者在不過(guò)熱或不造成電氣損壞的情況下充分發(fā)揮電機(jī)的性能,我們結(jié)合使用電機(jī)控制動(dòng)力系統(tǒng)和一些智能來(lái)觀察電機(jī)。這可確保電機(jī)按照應(yīng)用程序期望的方式運(yùn)行,并確保沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題,需要采取措施 保護(hù)電路或電機(jī)。”

電源設(shè)計(jì)人員、電池管理系統(tǒng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器通常需要準(zhǔn)確測(cè)量電流。電流測(cè)量是電力電子學(xué)的一個(gè)組成部分。電流傳感器(不要與電流互感器混淆)可以測(cè)量直流和交流電流。電流傳感器最常用的技術(shù)是閉環(huán)霍爾效應(yīng)或閉環(huán)磁通門(mén)。通常,無(wú)論電源電壓如何,電源要求都在低于 30 mA 的范圍內(nèi)。

“霍爾傳感器或使用電阻分流器的電流傳感器提供了檢測(cè)進(jìn)入電機(jī)的電流的方法——該電流的直流和交流分量”,正如戴夫所說(shuō)。“不同的電機(jī)和不同的策略需要不同的傳感器。 電流感應(yīng)使控制器能夠更好地選擇如何處理電機(jī),這就是我們看到的差異化之處。Maxim 的策略主要基于電阻電流檢測(cè)。我們有幾種針對(duì)該市場(chǎng)的電流傳感產(chǎn)品,隨著我們構(gòu)建越來(lái)越復(fù)雜的電機(jī)控制設(shè)備,該功能將內(nèi)置到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。你會(huì)看到越來(lái)越多這樣的產(chǎn)品出現(xiàn)。”

任何霍爾效應(yīng)檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)都需要一個(gè)能夠響應(yīng)通過(guò)電子輸入接口檢測(cè)到的物理參數(shù)的磁性系統(tǒng)。霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)并根據(jù)電子系統(tǒng)的要求產(chǎn)生適當(dāng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬數(shù)字信號(hào)(圖 2)。

電機(jī)控制活動(dòng)是許多工業(yè)領(lǐng)域的一部分,尤其是新興的電動(dòng)汽車市場(chǎng)。“使電動(dòng)汽車與眾不同的是牽引電機(jī),電動(dòng)牽引電機(jī)。牽引電機(jī)需要兩件事。它需要電機(jī)控制器,還需要電池管理系統(tǒng)。” 在許多市場(chǎng)中,能源效率和電機(jī)控制是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的兩個(gè)要素或挑戰(zhàn)。

圖 2:具有 PWM 抑制功能的雙向電流檢測(cè)放大器

能量收集

談到電動(dòng)汽車,或許我們可以考慮能量收集。回收車輛在運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中消耗的能量是道路上能量收集背后的概念。強(qiáng)大的動(dòng)機(jī)支持了對(duì)電動(dòng)汽車的肯定:首先是環(huán)境兼容性,其次,但不是次要的,是功能簡(jiǎn)單性和能源效率。

功能簡(jiǎn)單是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)由數(shù)百個(gè)功能部件組成,所有部件都相互作用并處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)僅由電動(dòng)機(jī)組成,電動(dòng)機(jī)在功能上是唯一處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的推進(jìn)部件。

“能量收集是一個(gè)有趣的領(lǐng)域。總的來(lái)說(shuō),它在電子領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用,但在車輛中,它更像是一個(gè)角落用例,因?yàn)楫?dāng)車輛行駛時(shí),它會(huì)消耗大量的能量。這就是電池組如此大的原因。這通常意味著,由于牽引電機(jī)使用了 90% 的能量,而 HVAC 系統(tǒng)使用了幾乎所有其余的能量,汽車中的其余功能,它們使用多少能量并不重要,因?yàn)橛羞@個(gè)巨大的電池在地板下,在座位之間。” 正如戴夫所說(shuō)。

下一代系統(tǒng)的能源問(wèn)題將在使微電子技術(shù)的應(yīng)用特別普遍方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,例如物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng),在新興的“萬(wàn)物互聯(lián)”中更是如此。

“挑戰(zhàn)不僅在于在可以收集能量時(shí)收集能量,還在于在這些時(shí)間之間儲(chǔ)存能量,然后在能量?jī)?chǔ)存最終耗盡時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào),以便當(dāng)能量確實(shí)回來(lái)時(shí),它可以優(yōu)雅地醒來(lái)。”

電源管理 IC

PMIC旨在提供許多優(yōu)勢(shì),包括比標(biāo)準(zhǔn)解決方案低 40% 的能源,延長(zhǎng)電池壽命,同時(shí)提供市場(chǎng)上最緊湊的外形(圖 3)。

圖 3:3 輸出 SIMO 降壓-升壓穩(wěn)壓器

PMIC 器件為產(chǎn)品提供電源電路解決方案。此類別包括:電壓調(diào)節(jié)器、電池管理和監(jiān)控器、LED 驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器/控制器。大多數(shù)解決方案為許多常見(jiàn)微處理器FPGA 的所有電源軌提供集成解決方案。電池具有與電池化學(xué)相關(guān)的復(fù)雜電流要求。電池電量可能會(huì)降至臨界水平以下,在這種情況下,相關(guān)電路將無(wú)法用于各種控制應(yīng)用。PMIC 在單個(gè)器件中結(jié)合了多種電源和安全功能,以減少設(shè)計(jì)時(shí)間和電路板空間。

審核編輯:郭婷

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