-新基础设施驱动电源的技术升级

0 Comments

王英(《电子产品世界》,北京100036)

编辑标准:我国对新的基础设施、工业物联网、汽车充电文件、5G手机等对电力和电力提出了更高的能效要求。与此同时,SiC、GaN等第三代半导体材料风生水起,奠定了坚实的发展基础。工业物联网、充电文件、5G手机等需要哪些新的电力和电源设备?

1工业电力市场的增长点

据IHS Markit预测,2018-2021年,生产和流程产业自动化、电力和能源、医疗设备、建筑和住宅控制市场的年均增长率将达到约6%,安全和视频监控应用程序(大部分属于自动化)的年均增长率将接近19%。

在工业市场上,电源产品占25%以上的份额,市场对电源和电源的需求正在增加。据调查,2020-2030年,电力和电力需求将增长30%。与此同时,世界各国作出了减少碳排放的坚定承诺,预计2030年二氧化碳排放量将比2010年减少45%。因此,电力和电力从业人员在面临巨大机遇的同时,必须集中精力节约能源,引进更多绿色能源解决方案。

2工业物联网的电力需求

产业互联网呈现出高度复杂性和差异化的特点。也就是说,必须向市场引入新的概念,这是一个在本地完成通信、计算的集成系统。为此,人们需要智能地分配电力,以自动化需要高水平计算、认知和自然沟通能力的生产/集成数据分析。从电源管理的角度来看,需要持续的电力传输,因此需要UPS、充电器等。在复杂的物流仓库里,数百个机器人上下移动,需要给这些机器人充电,因此无线充电成为了这种机器人的需求。对于协作机器人,需要能够持续供电的大型设备。为了防止停机,必须最大限度地提高效率。机器人无法在任何地方充电2小时,所以快速无线充电是这种应用程序未来的主要趋势。

1594101674875499.png

值得注意的是,服务器、本地计算和边缘计算需要分布式电源管理技术。全面的分析方法可以防止设备损坏和系统崩溃。在这种情况下,为了避免出现这种问题,需要预测性的维护。所有这些级别的计算都必须交给性能强大的服务器进行,因此需要持续的电力传输。所有这些计算功能都需要持续分配给周围所有的检测设备,因此复杂的系统需要分布式电源进行连续传输,机器人需要在不停机的情况下充电。在电力和能源、电机控制、自动化等多个层面创造了巨大的机会。

3 SiC和GaN电源设备机会

1)SiC

SiC装置的明显优点是能在高温下工作。目前SiC的结温可以达到200,甚至220,可能达到250。但是,封装限制了性能的发挥,塑料外壳或框架不支持此温度。因此,现在一般将SiC产品的工作温度限制在200以下。

SiC设备非常适合在非常恶劣和恶劣的环境中工作。如果需要在非常窄的空间内工作,但没有足够的热空间,建议使用SiC MOSFET。

此外,SiC交换机性能非常好,只要对高功率和高压有要求,SiC就是理想之选。

然而,还有一个因素会影响顾客的决定。换句话说,SiC真的值得吗?顾客是否值得支付更高的费用?因此,人们还需要计算投资收益率。例如,如果将SiC设备部署到中国市场的电动自行车等商品上,将无法获得合理的投资回报。因此,在这些应用程序中,现有Si解决方案的市长/市场地位不能动摇。但是,对于高级工业应用程序来说,工作温度优势明显的SiC更适合通信设备、电力站、充电站、太阳能等。

2)肝

GaN设备也有一定的市长/市场空间。GaN的优点是开关频率高。这意味着可以使用更小的手动部件,因此,如果手机充电器或人们不想携带更大尺寸的产品,GaN将发挥重要作用。

然而,直到今天,GaN仍然不能支持高电压。

例如,尽管进行了这方面的研究,但1,200V市场上还没有GaN产品上市。目前市场上大多数GaN产品的最大电压约为600 V和700 V。由于技术本身的原因,GaN仪器的电压能力仍有一些限制,但GaN可以满足减少开关损耗的需求。

可以肯定的是,GaN今后将更换基于Si的产品,占据更大的份额。但是目前,这项新兴技术还不成熟。这意味着这个市场还需要大量投资。因此,GaN的市场和应用渗透率仍然很低。例如,GaN首先用于其他解决方案,如充电器、电源适配器和低功耗服务器。但是,优化投资回报率将进一步增加GaN的技术优势。

3)GaN和SiC产业电力市长/市场

据统计,从2018-2025年开始,SiC MOSFET将在工业领域保持两位数的年均增长率。以亚洲市场为例,根据ST的数据,2019年SiC产业市长/市场规模为1.5亿美元,是非常乐观的数字。GaN拥有一些公司推出的充电器和用于图腾柱技术的设备等应用,目前亚洲产业GaN市长/市场规模不到2500万美元。(阿尔伯特爱因斯坦,美国作家)。

ST推出的SiC和GaN新产品分别面向充电器和手机充电器。

4 ST直流充电文件SiC解决方案

ST提供创新的DC充电站解决方案335415KW双向PFC(3级T型),可以说是充电桩的里程碑式解决方案。使用SiC设备和数字控制(STPOWER系列和STM32G4 MCU),将能效提高到一个新的水平。与IGBT等解决方案相比,ST的SiC产品可以提高0.5%的能效。这个数字似乎微不足道,但这不仅仅是数字的问题。1能效接近100%时提高0.5%并不容易。实际上是相当大的节能改善。从总拥有成本(TCO)的角度来看,每个电路板每年可以节约150美元。

众所周知,SiC比基于Si的产品贵,为什么能降低成本?首先,由于SiC板的无源组件成本较低,因此整个板的BOM成本高20%至30%左右。第二,能效提高0.5%,对于350千瓦的大功率充电站/充电站,假设只运行半天,节省的能源如下:

350千瓦12h0.5%=21千瓦h

假设这些充电站充电1年365天,电路板的寿命为5年。

21 kw h 365 5=38.3 MW H

在中国,电价约为0.09美元/kW h。假设每个填充的文件有24个填充板。

38.3 MW h 0.09美元/KW HIM 24=143 . 6美元150美元

这说明节能对每张卡有多重要。即使小算电力的减少幅度很低。另外,中国可能需要100万台350千瓦充电用充电站,从而节省了相当多的电力。

ST此次推出了15千瓦PFC解决方案,使充电器和直流转换功率达到350千瓦。ST的下一个目标是增加每个主板的输出功率,因此希望将每个主板的功率提高到(20~30)千瓦。

5手机间充电器—— 65w型-c方案

ST的65 W Type-CPD充电器面向高端手机充电器市场,能效高达93% ~ 94%,对于普通手机来说,充电时间不到30分钟。该产品使用GaN FET半桥驱动器和SiP,因此整个方案的大小相当于1元硬币的大小。如果将纵向变压器改为横向变压器,减少效果会更好。ST目前正在尝试这方面的研究开发。

(注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》 2020年07期第1页,欢迎在写论文时引用并注明出处。)。

-新基础设施驱动电源的技术升级

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。