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「2021电源管理与电力设计研讨会」特别报导
彻底优化每一道电源

【作者: 編輯部】2021年10月27日 星期三

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爱德克斯:高整合电驱系统当道 电机与电池模拟测试是关键

电动车产业正如火如荼的发展,包含台湾在内,各国政府也透过法令与补贴政策,全力推动电动车市场的成形。爱德克斯高级技术工程师黄圣??指出,台湾目前挂牌上路的电动车数量已达到七千多台,较前一年成长了80%以上。


由於电动车的急速推进之下,其整体的产量也会越来越多,并促使产品的价格也会越来越低,同时相关的基础设施也会愈加完善。但台湾目前却还是有电动车的充电桩不足的问题。


黄圣??表示,目前全台约有近1000个充电桩,而且集中在六都,距离政府7千个的目标仍有一大段距离,现在也正积极的透过修改法规和调整政策来加速电动车产业的发展。也因此,电动车充电桩的测试和相关零组件的供应,也成了推动电动车发展的重要一环。而在电动车系统之中,电池、电驱与电控,是最重要的三大部件。


图一 :   爱德克斯高级技术工程师黄圣??
图一 : 爱德克斯高级技术工程师黄圣??

他解释,电驱系统是电动车的动力来源,是把电能转换为动能的重要单元,它可分为电机、逆变器、以及控制器和各种感测器。但要如何测试电驱系统,就要从目前电驱的发展趋势下手,特别是进入了第三代的设计时,电机将会与控制器与减速器整合在一起,成为验证测试的一大挑战。


整合式的电驱系统有几个特色,分别是体积轻巧、转速快效率高、马达的绕线方式不同,同时也会使用高功率的电源元件,像是IGBT和第三代半导体等。


黄圣??举其客户华为的电驱系统为例,他表示,华为的DriveONE电驱系统就是一个高压多合一的设计,它除了转速更高、效率提升之外,内部也整合了减速机、OBC和BCU等,体积与重量都较前一代更小。


而在充电方面,目前电动车已逐步支援多合一的高压充电模式,也就是能同时符合商用车的500V~ 800V的范围,以及一般自用车的300V~ 500V的区间。而要要具备快充的功能,能够在三十分钟内,达到80%左右的充电效率,未来将能够达到同如现在加油一样的快捷。


测试机台整合电池模拟 带来精准效能

针对电驱与电池的测试,爱德克斯推出了具有电池模拟技术的测试平台,它能够模拟电池在汽车上运行的状态,更精确的掌握真实的效能,同时也可以解决传统测试方式的痛点,例如无法随时改变电池SOC、放电深度和内阻条件等。也解决了测试效率低等问题。


黄圣??强调,电动车电驱与电池系统的开发人员一定需要电池模拟器,它具备高速动态回应的特性、有较强的超载能力、内建多种电池模式、同时精度和可靠度都更高。


黄圣??也分享了几个客户的测试案例,其中一个客户需求为250kW电动车电驱系统的测试,该客户期??装置能够符合法规的要求,同时也要求需要高精度与高可靠度,并能够测试其同步与非同步的电机系统。


图二 :  爱德克斯现场展示一系列的测试解决方案。
图二 : 爱德克斯现场展示一系列的测试解决方案。

针对此一个客户,爱德克斯提供了IT6252C-1500-720的测试机台,并搭配了BSS2000PRO电池模拟软体的研发认证测试。黄圣??指出,这套系统可以进行电动车的性能标定、耐环境的测试(如升温)、以及可靠性的测试(如车辆工况测试)。


虽然此客户的测试有搭配额外的电池模拟,但IT6252C-1500-720单机也具备电池模拟器的功能,只不过仅能设定单节电压和容量、串联个数与最大放电电流。如果再搭配BSS2000电池模拟软体,就能够进一步选择放电特性与曲线的设定,甚至记录每一个电池的充放电曲线。


除了更多的叁数可供调教之外,BSS2000电池模拟软体也内建了多种的电池种类模型,未来也将会逐步的扩充所支援的电池数量。


至於充电桩和车联网的应用领域,爱德克斯也推出了IT8000系列的回??式电子负载的测试机台,以及IT7900的电网模拟器,满足电动车全方位的测试需求。


Littelfuse:以优质的性能和产品组合 因应高功率电路保护

Littelfuse是电流保护的国际大厂,传统上,大家也熟知Littelfuse在被动电子元件的过流和过压的保护上,有非常完整的解决方案。但近来来,Littelfuse已逐渐把脚步跨足在半导体元件的保护上,提供更全面的电源保护解决方案。


Littelfuse FAE/应用工程师刘志宏表示,Littelfuse在2018年收购了IXYS之後,已具备了十分广泛的半导体电源保护的产品,例如FRD、SDB、MOSFET等,甚至是大型的功率元件IGBT等,可以为客户提供更完整的电力保护方案。


而透过持续的并购和改善产品组合的方式,Littelfuse的营收也不断的成长,从2010年的6亿美元,一路成长至目前的10.45亿美元。主要的产品领域则是以各式电子装置、运输交通、以及工业控制的应用为主。


图三 :   Littelfuse FAE/应用工程师刘志宏
图三 : Littelfuse FAE/应用工程师刘志宏

刘志宏指出,多数人也许对IXYS这家公司不熟悉,但它其实在台湾有设点,产品也广泛在台湾市场贩售,包含有功率二极体元件(兼具矽与碳化矽的产品线);晶体闸流管(Thyristor)则是全球最完整的业者,范围从200V到2200V;同时也是全球最早共同开发IGBT的成员;矽与碳化矽的MOSFET;以及闸极驱动等。


差异化封装+专利技术 实现更隹电源效率与保护性能

相较於其他业者多提供标准型的封装品,Littelfuse则是在特殊差异化封装(ISO/Plus封装)上更加着墨。以高压的功率元件为例,透过Littelfuse的差异化封装,让元件不仅可以在典型的650V、1200V、1500V应用中运行,甚至还可以2000V到3000V的系统中使用。


刘志宏举典型的247封装为例,目前新一代的ISOPlus 247封装已越来越普及,它除了拓展封装空间,提升晶片的散热能力。此外,还使用了陶瓷(ceramic)来做为绝缘层,提升晶片整体的强固性与散热性。


在矽制程的MOSFET方面,Littelfuse提供了Ultra Junction MOSFET、Linear MOSFET和Depletion-Mode MOSFET的类型。其中Ultra Junction MOSFET具有最低的导通阻抗RDS (on)和闸极驱动,以及良好的抗雪崩能力,很适合高功率的工业领域使用。


相较於竞争者的方案,刘志宏也强调,Littelfuse的产品性能完全不落下风,甚至还优於对手,甚至在成本方面也优於对手许多。


至於Depletion MOSFET方面,Littelfuse的产品设计具有「常态性开启(Normally-On)」的特性,因此非常适合用在含有「Start-up」电路的系统。Linear MOSFET则是具有高功率运行的特性,很适合用在大电力的线性马达,而为什麽需要使用线性的模式,因功率MOSFET最常用於开关模式应用中,它们的主要功能就是开跟关的用途。若是使用标准的MOSFET,则会很容易因为散热不良而故障。


在离散IGBT产品方面,刘志宏表示,相较於其他厂牌的方案,Littelfuse旗下的XPT IGBT产品更加注重对环境的耐受能力,电路回复的速度都至少维持在十毫秒以内,这对讲求稳定的工控产品来说,是十分重要的性能。以最新一代V4的产品为例,它具有很低的VCE和很高的ICM。


另外,Littelfuse也拥有高阻隔电压的BiMOSFET产品,这类方案则饰用於电动车的无线充电桩,心脏电击去颤器(AED)或者无线充电的消费性电子产品。


目前市场火热的第三代半导体产品方面,Littelfuse所提供的碳化矽(SiC)方案额定电压从650V到1700V之间。刘志宏指出,Littelfuse的SiC MOSFET主要是采用SOT-227的包装,在搭配上自有的结构与材料设计,能够达成较高的电源密度,同时至少具备2.5KB以上的绝缘能力,非常符合高阶的设备的电源系统使用。


图四 :   Littelfuse现场的展示摊位。
图四 : Littelfuse现场的展示摊位。

晶体闸流管(Thyristor)则是Littelfuse另一大强项,刘志宏强调,Littelfuse拥有全球最齐备的晶体闸流管产品,能够完全满足各种大小规模的应用需求,旗下产品的最高应对电压可达到2200V以上,能够胜任非常吃重的工业应用。


最後刘志宏也再次强调,Littelfuse不只提供传统的电源保护元件,现在也为客户提供更完整的整合型电源解决方案 例如MOSFET、IGBT、晶闸管、 栅极驱动器、碳化矽、二极管、先进功率封装类型(SMPD)、 功率模组和高额定功率压接包装等,希??为更多的创新应用提供半导体的保护元件。


邱煌仁博士:高功率密度先进电源需求 引领第三代半导体技术

台科大特聘教授兼研发长邱煌仁博士表示,无论产业如何更迭替代,电源永远会是必要的一个项目,而目前的发展趋势就是以高功率密度的先进电源技术为主,重点的发展方向就是第三代半导体,其中氮化??(GaN)会是相当受注目的关键技术应用。


他指出,使用GaN材料开发的电源方案能够满足目前装置轻薄短小的需求,而且对於热的受力高,因此也具备更隹的系统稳定性,有助於优化5G伺服器的电源模组,以及高功率行动装置的整流器的设计。


图五 :   台科大特聘教授兼研发长邱煌仁博士
图五 : 台科大特聘教授兼研发长邱煌仁博士

安驰科技:提供高频、高功率、高整合电源解决方案

安驰科技(ANStek)主要是代理ADI的解决方案,并侧重在DC-DC的架构上。而因应未来电源装置朝向小型化和高功率的发展,安驰也准备了一系列的方案来应对,包含升压、降压、和升降压。


安驰专案技术应用工程师??理高铭祥表示,未来的电源产品有三高趋势,分别是高功率、高效率、高整合。以今年新推出的LTC7803这颗降压控制晶片为例,它的操作频率可从100kHz到3MHz,而且具备展频功能,可把高频的部分转到低频到位置,进一步控制EMI的程度。


图六 :   安驰专案技术应用工程师??理高铭祥
图六 : 安驰专案技术应用工程师??理高铭祥

Vicor:以创新架构对应48V供电的HPC和AI系统

数位当道的时代,HPC和AI应用是电源装置的主要目标市场,不仅其装置的数量快速成长,其功率也不断的提升。Vicor台湾区应用工程师张仁程表示,电流的系统自2010起有很大的改变,很大的原因就是大数据与云端的兴起,再加上物联网和AI的兴起。而这些趋势直接促成了高性能处理器的快速发展。


张仁程表示,因为电源供应部分的大幅增加,已经压缩了整个系统的设计空间,因此如何缩小和简化电源供应的设计。特别是目前HPC和资料中心的电源供应已经从12V转换成48V的架构。


图七 :   Vicor台湾区应用工程师张仁程
图七 : Vicor台湾区应用工程师张仁程

嵩森科技:整合式GaN晶片带来更隹的电源效率

第三代半导体正在所有功高率的电源装置中崭露头角,而快速充电也是其中一个热门的应用,身为代理商的嵩森科技也提出了一些解决方案来因应这个市场的需求。嵩森市场开发部协理陈泰呈表示,在快充的应用中,使用GaN方案的产品,能够带来比矽高五倍以上的高频性能,同时也能大幅缩小装置的体积。


然而同样是使用GaN技术,在晶片制程上则区分为分散式与整合式,而使用整合式的GaN晶片能够带来更隹的运作效率。以Navitas为例,陈泰呈指出,整合式的晶片电源效率与可靠性都更高。


图八 :   嵩森市场开发部协理陈泰呈
图八 : 嵩森市场开发部协理陈泰呈

德国莱茵:最低能效基准是手机电池充电器的入场券

能源效率好不好,当然不是自己说了算,能否通过检验和取得认证,才是真高手。针对手机电池充电器系统的能源效率需求,德国莱因电子电气产品服务经理吴政璋表示,无论进入任何市场,最低的能效基准都是必须达到的标准,而能源标章则是第二阶段的目标。


针对北美市场的规范,吴政璋指出,手机电池的充电器系统与消费性电子相同,都需要同时进行充电与放电的测试。而且自2018年6月起,所有的消费性电子充电都要符合美国能源部门的规范。


图九
图九
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