如何设计出更高能效的太阳能、工业驱动、电动汽车充电桩和服务器等应用 ...

2023-5-21 19:11| 发布者: 开心| 查看: 463| 评论: 0

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摘要: {本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}太阳能、电动汽车充电桩、储能、不间断电源(UPS)等能源基础设施，工业控制、人机接口、机器视觉等自动化控制，工业伺服、变频驱动、暖通空调(HVAC)等电机驱动，以及机器人 ...

{本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}太阳能、电动汽车充电桩、储能、不间断电源(UPS)等能源基础设施，工业控制、人机接口、机器视觉等自动化控制，工业伺服、变频驱动、暖通空调(HVAC)等电机驱动，以及机器人和电动工具等工业细分领域是当前市场的热门应用。在设计这些应用时，工程师都要求更高能效、功率密度和可靠性。作为全球第二大功率分立和模块半导体供应商，安森美半导体以丰富的电源专知提供广泛的产品阵容，从硅到碳化硅(SiC)，从分立器件到电源模块，以及门极驱动器、运算放大器、光耦等，乃至完整的参考设计、在线设计工具WebDesigner+、云平台开发工具Strata Developer Studio和现场应用支援，帮助工程师解决设计挑战，从而更快设计出具竞争优势的方案。太阳能方案随着能源和环境问题日益凸显，太阳能作为一种清洁的可再生能源，前景可期。太阳能发电本质上是直流(DC)技术，需要逆变器(DC-AC)来发电。从硅转向SiC半导体可实现能效和性能的飞跃。随着成本的优化，越来越多的厂商开始采用SiC替代原来基于硅的逆变电路，以实现更快的开关速度、更低的损耗、更低的电感/电容成本、更紧凑的尺寸。安森美半导体除了提供各种基于硅的涵盖5 kW至250 kW输出功率的3电平逆变器模块和升压模块，也提供大量SiC MOSFET和SiC二极管方案阵容，以及门极驱动、运算放大器等产品。其中，NXH40B120MNQ系列全SiC升压功率模块已被全球领先的电源和热管理方案供应商台达选用，用于支持其M70A三相光伏组串逆变器，实现高达98.8％的峰值能量转换能效。SiC技术的使用提供了实现太阳能逆变器等应用中所要求高能效水平所需的低反向恢复和快速开关特性。以下是安森美半导体推荐的升压及逆变器模块。这些模块都集成高速IGBT、Si/SiC二极管，实现高能效、紧凑的设计，内置热敏电阻，提供高可靠性，采用焊接/压合引脚，易于贴装。

表1：推荐的升压及逆变器模块用于太阳能发电高性能IGBT、智能功率模块(IPM)和功率集成模块(PIM)助力工业驱动控制无人化和智能化正成为趋势，电机驱动系统往往是实现节能的核心。安森美半导体提供包括分立IGBT、IPM和PIM在内的产品助力提升工业系统能效，满足不断提升的能效需求。工程师评估一个IGBT性能，通常从饱和压降、关断损耗和抗冲击力三方面评估，需要根据应用的不同对IGBT做权衡设计。安森美半导体最新的IGBT工艺技术是用于950 V、750 V和650 V的场截止型第四代沟槽IGBT工艺，带来业界最优的饱和压降设计和开关性能设计，同时超场截止(UFS)工艺的1200 V第三代场截止型IGBT工艺代表了全球最好的工艺水平，抗冲击能力大幅提高，并且开关性能和饱和压降水平都领先于竞争对手。安森美半导体用于驱动控制的分立IGBT产品系列抗冲击力强，可支持从3 A到160 A在内的电流等级，包含从DPAK到Power 247在内的各种封装。而全塑封的IGBT系列采用TO-3PF封装设计，不需要绝缘垫片，降低安装成本提高工作效率，同时可降低因为绝缘垫片带来的热阻损耗，提高功率密度。 IPM将IGBT、高低压驱动芯片和外围阻容器件、二极管封装在一个模块中，实现了更灵敏准确的保护功能，更简单的外围元器件设计、更简化的生产工艺和更好的散热性能。安森美半导体提供1200 V和650 V/600 V全系列的IPM产品，最高功率等级7.5kW，采用不同的基板技术（直连铜基板(DBC)、陶瓷基板、绝缘金属基板(IMST)），满足工业逆变、HVAC、泵、工业风扇、空调、白家电乃至新兴的工业机器人等不同应用及成本需求。

图1：安森美半导体的IPM阵容在中大功率工业控制领域，为支持驱动电路的多种选择，安森美半导体推出PIM模块，如最新的压铸模功率集成模块(TM-PIM)，广泛运用于中央空调、变频控制和伺服控制领域。TM-PIM集成3相转换器、逆变器和制动器，采用创新工艺、可靠的基板和环氧树脂压铸模技术,比普通的凝胶填充电源模块热循环使用寿命提高10倍，功率循环使用寿命提高3倍。它将助推客户终端逆变器系统长的使用寿命及高可靠性。该模块采用先进的厚铜基板，省去底板，比普通模块减小57%的体积，且提高30%的热阻，大大增加功率密度。

表2：安森美半导体已发布的TM-PIM 电动汽车充电桩方案受政府节能和环保法规以及新基建等一系列政策驱动，汽车正迅速迈向电动汽车发展，市场期待充电桩达到更高的峰值能效以节省充电时间和增加续航里程。充电桩按充电能力分为4级。现有充电桩多为1级或2级。而消费者最感兴趣的是直流快充。随着功率增加和速度要求的提高，对MOS和SiC的需求越来越强。采用SiC方案将比硅方案小10倍，充电时用电量少60%，达到99%的峰值能效。