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「2021電源管理與電力設計研討會」特別報導
徹底優化每一道電源

【作者: 編輯部】   2021年10月27日 星期三

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愛德克斯:高整合電驅系統當道 電機與電池模擬測試是關鍵

電動車產業正如火如荼的發展,包含台灣在內,各國政府也透過法令與補貼政策,全力推動電動車市場的成形。愛德克斯高級技術工程師黃聖棻指出,台灣目前掛牌上路的電動車數量已達到七千多台,較前一年成長了80%以上。


由於電動車的急速推進之下,其整體的產量也會越來越多,並促使產品的價格也會越來越低,同時相關的基礎設施也會愈加完善。但台灣目前卻還是有電動車的充電樁不足的問題。


黃聖棻表示,目前全台約有近1000個充電樁,而且集中在六都,距離政府7千個的目標仍有一大段距離,現在也正積極的透過修改法規和調整政策來加速電動車產業的發展。也因此,電動車充電樁的測試和相關零組件的供應,也成了推動電動車發展的重要一環。而在電動車系統之中,電池、電驅與電控,是最重要的三大部件。


圖一 :   愛德克斯高級技術工程師黃聖棻
圖一 : 愛德克斯高級技術工程師黃聖棻

他解釋,電驅系統是電動車的動力來源,是把電能轉換為動能的重要單元,它可分為電機、逆變器、以及控制器和各種感測器。但要如何測試電驅系統,就要從目前電驅的發展趨勢下手,特別是進入了第三代的設計時,電機將會與控制器與減速器整合在一起,成為驗證測試的一大挑戰。


整合式的電驅系統有幾個特色,分別是體積輕巧、轉速快效率高、馬達的繞線方式不同,同時也會使用高功率的電源元件,像是IGBT和第三代半導體等。


黃聖棻舉其客戶華為的電驅系統為例,他表示,華為的DriveONE電驅系統就是一個高壓多合一的設計,它除了轉速更高、效率提升之外,內部也整合了減速機、OBC和BCU等,體積與重量都較前一代更小。


而在充電方面,目前電動車已逐步支援多合一的高壓充電模式,也就是能同時符合商用車的500V~ 800V的範圍,以及一般自用車的300V~ 500V的區間。而要要具備快充的功能,能夠在三十分鐘內,達到80%左右的充電效率,未來將能夠達到同如現在加油一樣的快捷。


測試機台整合電池模擬 帶來精準效能

針對電驅與電池的測試,愛德克斯推出了具有電池模擬技術的測試平台,它能夠模擬電池在汽車上運行的狀態,更精確的掌握真實的效能,同時也可以解決傳統測試方式的痛點,例如無法隨時改變電池SOC、放電深度和內阻條件等。也解決了測試效率低等問題。


黃聖棻強調,電動車電驅與電池系統的開發人員一定需要電池模擬器,它具備高速動態回應的特性、有較強的超載能力、內建多種電池模式、同時精度和可靠度都更高。


黃聖棻也分享了幾個客戶的測試案例,其中一個客戶需求為250kW電動車電驅系統的測試,該客戶期望裝置能夠符合法規的要求,同時也要求需要高精度與高可靠度,並能夠測試其同步與非同步的電機系統。


圖二 :  愛德克斯現場展示一系列的測試解決方案。
圖二 : 愛德克斯現場展示一系列的測試解決方案。

針對此一個客戶,愛德克斯提供了IT6252C-1500-720的測試機台,並搭配了BSS2000PRO電池模擬軟體的研發認證測試。黃聖棻指出,這套系統可以進行電動車的性能標定、耐環境的測試(如升溫)、以及可靠性的測試(如車輛工況測試)。


雖然此客戶的測試有搭配額外的電池模擬,但IT6252C-1500-720單機也具備電池模擬器的功能,只不過僅能設定單節電壓和容量、串聯個數與最大放電電流。如果再搭配BSS2000電池模擬軟體,就能夠進一步選擇放電特性與曲線的設定,甚至記錄每一個電池的充放電曲線。


除了更多的參數可供調教之外,BSS2000電池模擬軟體也內建了多種的電池種類模型,未來也將會逐步的擴充所支援的電池數量。


至於充電樁和車聯網的應用領域,愛德克斯也推出了IT8000系列的回饋式電子負載的測試機台,以及IT7900的電網模擬器,滿足電動車全方位的測試需求。


Littelfuse:以優質的性能和產品組合 因應高功率電路保護

Littelfuse是電流保護的國際大廠,傳統上,大家也熟知Littelfuse在被動電子元件的過流和過壓的保護上,有非常完整的解決方案。但近來來,Littelfuse已逐漸把腳步跨足在半導體元件的保護上,提供更全面的電源保護解決方案。


Littelfuse FAE/應用工程師劉志宏表示,Littelfuse在2018年收購了IXYS之後,已具備了十分廣泛的半導體電源保護的產品,例如FRD、SDB、MOSFET等,甚至是大型的功率元件IGBT等,可以為客戶提供更完整的電力保護方案。


而透過持續的併購和改善產品組合的方式,Littelfuse的營收也不斷的成長,從2010年的6億美元,一路成長至目前的10.45億美元。主要的產品領域則是以各式電子裝置、運輸交通、以及工業控制的應用為主。


圖三 :   Littelfuse FAE/應用工程師劉志宏
圖三 : Littelfuse FAE/應用工程師劉志宏

劉志宏指出,多數人也許對IXYS這家公司不熟悉,但它其實在台灣有設點,產品也廣泛在台灣市場販售,包含有功率二極體元件(兼具矽與碳化矽的產品線);晶體閘流管(Thyristor)則是全球最完整的業者,範圍從200V到2200V;同時也是全球最早共同開發IGBT的成員;矽與碳化矽的MOSFET;以及閘極驅動等。


差異化封裝+專利技術 實現更佳電源效率與保護性能

相較於其他業者多提供標準型的封裝品,Littelfuse則是在特殊差異化封裝(ISO/Plus封裝)上更加著墨。以高壓的功率元件為例,透過Littelfuse的差異化封裝,讓元件不僅可以在典型的650V、1200V、1500V應用中運行,甚至還可以2000V到3000V的系統中使用。


劉志宏舉典型的247封裝為例,目前新一代的ISOPlus 247封裝已越來越普及,它除了拓展封裝空間,提升晶片的散熱能力。此外,還使用了陶瓷(ceramic)來做為絕緣層,提升晶片整體的強固性與散熱性。


在矽製程的MOSFET方面,Littelfuse提供了Ultra Junction MOSFET、Linear MOSFET和Depletion-Mode MOSFET的類型。其中Ultra Junction MOSFET具有最低的導通阻抗RDS (on)和閘極驅動,以及良好的抗雪崩能力,很適合高功率的工業領域使用。


相較於競爭者的方案,劉志宏也強調,Littelfuse的產品性能完全不落下風,甚至還優於對手,甚至在成本方面也優於對手許多。


至於Depletion MOSFET方面,Littelfuse的產品設計具有「常態性開啟(Normally-On)」的特性,因此非常適合用在含有「Start-up」電路的系統。Linear MOSFET則是具有高功率運行的特性,很適合用在大電力的線性馬達,而為什麼需要使用線性的模式,因功率MOSFET最常用於開關模式應用中,它們的主要功能就是開跟關的用途。若是使用標準的MOSFET,則會很容易因為散熱不良而故障。


在離散IGBT產品方面,劉志宏表示,相較於其他廠牌的方案,Littelfuse旗下的XPT IGBT產品更加注重對環境的耐受能力,電路回復的速度都至少維持在十毫秒以內,這對講求穩定的工控產品來說,是十分重要的性能。以最新一代V4的產品為例,它具有很低的VCE和很高的ICM。


另外,Littelfuse也擁有高阻隔電壓的BiMOSFET產品,這類方案則飾用於電動車的無線充電樁,心臟電擊去顫器(AED)或者無線充電的消費性電子產品。


目前市場火熱的第三代半導體產品方面,Littelfuse所提供的碳化矽(SiC)方案額定電壓從650V到1700V之間。劉志宏指出,Littelfuse的SiC MOSFET主要是採用SOT-227的包裝,在搭配上自有的結構與材料設計,能夠達成較高的電源密度,同時至少具備2.5KB以上的絕緣能力,非常符合高階的設備的電源系統使用。


圖四 :   Littelfuse現場的展示攤位。
圖四 : Littelfuse現場的展示攤位。

晶體閘流管(Thyristor)則是Littelfuse另一大強項,劉志宏強調,Littelfuse擁有全球最齊備的晶體閘流管產品,能夠完全滿足各種大小規模的應用需求,旗下產品的最高應對電壓可達到2200V以上,能夠勝任非常吃重的工業應用。


最後劉志宏也再次強調,Littelfuse不只提供傳統的電源保護元件,現在也為客戶提供更完整的整合型電源解決方案 例如MOSFET、IGBT、晶閘管、 柵極驅動器、碳化矽、二極管、先進功率封裝類型(SMPD)、 功率模組和高額定功率壓接包裝等,希望為更多的創新應用提供半導體的保護元件。


圖五 :   臺科大特聘教授兼研發長邱煌仁博士
圖五 : 臺科大特聘教授兼研發長邱煌仁博士

邱煌仁博士:高功率密度先進電源需求 引領第三代半導體技術

臺科大特聘教授兼研發長邱煌仁博士表示,無論產業如何更迭替代,電源永遠會是必要的一個項目,而目前的發展趨勢就是以高功率密度的先進電源技術為主,重點的發展方向就是第三代半導體,其中氮化鎵(GaN)會是相當受注目的關鍵技術應用。


他指出,使用GaN材料開發的電源方案能夠滿足目前裝置輕薄短小的需求,而且對於熱的受力高,因此也具備更佳的系統穩定性,有助於優化5G伺服器的電源模組,以及高功率行動裝置的整流器的設計。


圖六 :   安馳專案技術應用工程師副理高銘祥
圖六 : 安馳專案技術應用工程師副理高銘祥

安馳科技:提供高頻、高功率、高整合電源解決方案

安馳科技(ANStek)主要是代理ADI的解決方案,並側重在DC-DC的架構上。而因應未來電源裝置朝向小型化和高功率的發展,安馳也準備了一系列的方案來應對,包含升壓、降壓、和升降壓。


安馳專案技術應用工程師副理高銘祥表示,未來的電源產品有三高趨勢,分別是高功率、高效率、高整合。以今年新推出的LTC7803這顆降壓控制晶片為例,它的操作頻率可從100kHz到3MHz,而且具備展頻功能,可把高頻的部分轉到低頻到位置,進一步控制EMI的程度。


圖七 :   Vicor台灣區應用工程師張仁程
圖七 : Vicor台灣區應用工程師張仁程

Vicor:以創新架構對應48V供電的HPC和AI系統

數位當道的時代,HPC和AI應用是電源裝置的主要目標市場,不僅其裝置的數量快速成長,其功率也不斷的提升。Vicor台灣區應用工程師張仁程表示,電流的系統自2010起有很大的改變,很大的原因就是大數據與雲端的興起,再加上物聯網和AI的興起。而這些趨勢直接促成了高性能處理器的快速發展。


張仁程表示,因為電源供應部分的大幅增加,已經壓縮了整個系統的設計空間,因此如何縮小和簡化電源供應的設計。特別是目前HPC和資料中心的電源供應已經從12V轉換成48V的架構。


圖八 :   嵩森市場開發部協理陳泰呈
圖八 : 嵩森市場開發部協理陳泰呈

嵩森科技:整合式GaN晶片帶來更佳的電源效率

第三代半導體正在所有功高率的電源裝置中嶄露頭角,而快速充電也是其中一個熱門的應用,身為代理商的嵩森科技也提出了一些解決方案來因應這個市場的需求。嵩森市場開發部協理陳泰呈表示,在快充的應用中,使用GaN方案的產品,能夠帶來比矽高五倍以上的高頻性能,同時也能大幅縮小裝置的體積。


然而同樣是使用GaN技術,在晶片製程上則區分為分散式與整合式,而使用整合式的GaN晶片能夠帶來更佳的運作效率。以Navitas為例,陳泰呈指出,整合式的晶片電源效率與可靠性都更高。


圖九 :   德國萊因電子電氣產品服務經理吳政璋
圖九 : 德國萊因電子電氣產品服務經理吳政璋

德國萊茵:最低能效基準是手機電池充電器的入場券

能源效率好不好,當然不是自己說了算,能否通過檢驗和取得認證,才是真高手。針對手機電池充電器系統的能源效率需求,德國萊因電子電氣產品服務經理吳政璋表示,無論進入任何市場,最低的能效基準都是必須達到的標準,而能源標章則是第二階段的目標。


針對北美市場的規範,吳政璋指出,手機電池的充電器系統與消費性電子相同,都需要同時進行充電與放電的測試。而且自2018年6月起,所有的消費性電子充電都要符合美國能源部門的規範。


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