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功率半导体的智能和效率推动工业系统发展

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功率半导体的智能和效率推动工业系统发展

 2018年1月29日

功率半导体的智能和效率推动工业系统发展

Westpac威柏应用技术支持团队Westpac威柏技术支持总监:王鹏 手机:15989854023 电话:027-8705 4728 电子邮件:JerryWang@westpac-hk.com.hk

随着电力需求的增加,以及环境、商业和立法机构一致要求降低能耗和提高能效,工业系统的供电方式正发生巨大变化。汽车和汽车元器件工厂、数据中心(又称云)以及可再生能量和储能系统等工业系统正变得、也必须继续变得更加高效和智能化。

让我们看下工厂

欢迎来到工业4.0!工业4.0也被称为第四次工业革命、工业物联网(IIoT)和智能制造,是用来描述物理世界与网络世界汇合的一个术语。图1简述了四次工业革命。

20171227-Industrial-1

图1:四次工业革命。图片来自领英(Kris Seeburn)。

工业4.0承诺以更少的人为干预提供生产力和效率更高的工厂。计算机和自动化的结合使得网络物理系统能够监控工厂的物理过程,并做出分散决策,这一切都是在有很少人工操控的情况下完成的。然而,为了实现工业4.0的承诺,这些智能互联的工厂需要一种更好的新方法来为它们提供动力。

IGBT模块搭载于电机驱动用变频器、不间断电源装置(UPS)、风力/太阳能发电设备用功率调节器等工业机器上,是一种有助于实现节能及电力稳定供给的关键元件。近年来,对于工业机器的节能、设备/机器的小型化/省空间化以及高可靠性的需求愈发强烈。针对这种需求,FUJI开发出了第7代“X系列”的IGBT模块产品。

 

 

改进电机控制器设计是提高能效和可靠性、支持简化设计和缩短系统设计时间的另一个领域。

集成模块解决方案被市场称为Intelligent Power Module(IPM,智能电源模块)。

IPM内置有包含IGBT驱动电路和保护电路的控制IC,因而容易设计外围电路,从而能够确保系统的高可靠性。
适用于AC伺服系统、空调机、升降机等。
包括将15A-30A/600V系列化的小容量IPM、和包括400A/600V、200A/1200V 容量的V-IPM。
内置有过电流保护、短路保护、控制电源欠电压保护、过热保护,可输出警报信号。

小容量IPM(Intelligent Power Module)600V级

※点击产品图像即可查看等效电路图。

PACKAGEIC600V

P633A
15A6MBP15XSD060-50V(temp) OUT
15A6MBP15XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH
20A6MBP20XSD060-50V(temp) OUT
20A6MBP20XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH
30A6MBP30XSD060-50V(temp) OUT
30A6MBP30XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH
35A6MBP35XSD060-50V(temp) OUT
35A6MBP35XSF060-50V(temp) OUT & Self shutdown TOH

 

IPM(Intelligent Power Module)600V、1200V级

※点击产品图像即可查看等效电路图。

PACKAGEIC600V1200V

V SERIESV SERIES



WITHOUT BRAKE-CHOPPERWITH BRAKE-CHOPPERWITHOUT BRAKE-CHOPPERWITH BRAKE-CHOPPER


P629
10A

6MBP10VAA120-50
15A

6MBP15VAA120-50

20A6MBP20VAA060-50



25A

6MBP25VAA120-50

30A6MBP30VAA060-50



50A6MBP50VAA060-50




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25A

6MBP25VBA120-50
35A

6MBP35VBA120-50

50A6MBP50VBA060-50
6MBP50VBA120-50

75A6MBP75VBA060-50




P636
25A

6MBP25VFN120-507MBP25VFN120-50
35A

6MBP35VFN120-507MBP35VFN120-50
50A6MBP50VFN060-507MBP50VFN060-506MBP50VFN120-507MBP50VFN120-50
75A6MBP75VFN060-507MBP75VFN060-50


100A6MBP100VFN060-507MBP100VFN060-50



P630
25A

6MBP25VDA120-507MBP25VDA120-50
35A

6MBP35VDA120-507MBP35VDA120-50
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6MBP50VDN120-507MBP50VDN120-50
75A6MBP75VDA060-507MBP75VDA060-506MBP75VDA120-507MBP75VDA120-50



6MBP75VDN120-507MBP75VDN120-50
100A6MBP100VDA060-507MBP100VDA060-506MBP100VDA120-507MBP100VDA120-50

6MBP100VDN060-507MBP100VDN060-506MBP100VDN120-507MBP100VDN120-50
150A6MBP150VDA060-507MBP150VDA060-50



6MBP150VDN060-507MBP150VDN060-50


200A6MBP200VDA060-507MBP200VDA060-50



6MBP200VDN060-507MBP200VDN060-50



P631
100A

6MBP100VEA120-507MBP100VEA120-50
150A

6MBP150VEA120-507MBP150VEA120-50
200A6MBP200VEA060-507MBP200VEA060-506MBP200VEA120-507MBP200VEA120-50
300A6MBP300VEA060-507MBP300VEA060-50


400A6MBP400VEA060-507MBP400VEA060-50


 

数据中心和云

根据Fortune.com的数据,2010至2014年,数据中心的能量使用量仅增长了4%。与2005到2010年24%的增长相比,4%的增长实际上相当小;而在2000到2005年间,更是增加了90%。然而,令人印象更深刻的是,在2014到2020年间,数据中心的预期能耗将再次仅增长4%。根据伯克利实验室发表的题为“Data Centers Continue to Proliferate While Their Energy Use Plateaus”的文章,2010至2020年服务器总量预计将增长40%。因此,4%的能耗增长实际上是个巨大成就。这归功于大型互联网公司(如谷歌、亚马逊和Facebook)始终专注于提高数据中心运行效率所做的努力。图3显示了2000至2020年间的数据中心总电力消耗(预测)。

20171227-Industrial-3

图3:数据中心总耗电量与时间对比。图片来自Intersil。

如果你好奇这些互联网巨头如何能降低如此多的能耗,无疑,这不是单凭一个想法或一种改进。相反,有许多变化(有些颇具创新性)使得这些可观的节能成就成为可能,其中包括:

• 新数据中心的设计要求使用外部空气进行冷却,而不是使用耗电的空调来冷却服务器。 • 数据中心采用了高能效软件。 • 对服务器进行专门设计,以在负荷不大时自动切换到低功耗状态。 • 服务器需求更少。由于服务器被设计得功能更强大、效率高得多,各公司采用了服务器虚拟化技术,可以更多地利用每个服务器的总容量。

根据Fortune.com上刊登的“Data Centers Are No Longer The Energy Hogs They Once Were”文章,Facebook将一些富有想象力的想法(尽管这些想法现在看起来相当平淡无奇)应用到了俄勒冈州普林维尔市的数据中心中,这些例子包括:雨水回收、为办公区提供电能的太阳能装置、重新利用服务器产生的热量来加热办公区等功能。

可再生能量和能量存储

根据美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的“Renewable Electricity Futures Study”报告,使用目前市场上提供的商用技术,再加上更灵活的电气系统,到2050年,美国可再生发电产生的电量将占全美总发电量的80%。如果这项研究结果得以实现,那么整个行业就会为在工厂中更好地准备好依靠可再生能源。“准备好”包括准备好应对可能的停电。根据德州仪器的说法,可再生能源已被证明是未来的重要能量来源,但全天持续供电的问题依然存在。

现在看能量存储。使用能量储存设施以及可再生能源,即使在接收到的阳光量减少、风力减弱或即使没风的情况下,也可以保持一致的能量输送。根据德州仪器的“Battery Management Solutions for Energy Storage Systems”指南,“能量存储系统通常包括两类应用:应急能量应用和电网存储应用。”德州仪器继续解释说,应急能量应用只需要备用电源维持很短的一段时间来执行一组任务。相比之下,电网存储应用需要备用电源维持较长的时间,直到(理想地)恢复主电源为止。为帮助客户(现在和未来)设计自己的电源管理系统,德州仪器提供了“Power Management Guide”。

工厂利用可再生能源(特别是太阳能)的一个很好例子是特斯拉的Gigafactory(见图4)。根据TheVerge.com,Gigafactory将使用屋顶安装的能够产生70MW电力的太阳能电池阵列。另据Inc.com,Gigafactory将拥有净零排放和碳中和制造。目前令人印象深刻!

 

20171227-Industrial-4

图4:特斯拉的Gigafactory的渲染图,它使用一个屋顶安装的70MW太阳能电池阵列。图片来自Tesla。

总结

无论你喜不喜欢,工业系统供电的方法正在发生巨大变化。从工厂到数据中心和云计算,再到可再生能源和储能方案,我们将会看到许多形态,而且眼下正在见证这些重大变化。这些例子包括使用有助于电力转换装置小型化和高效化的 新一代功率模块。

减少电力损耗,有助于节能 变频器损耗减少 10%、芯片温度降低 11℃

(相较于第 6 代 V 系列 EP3 封装 75A、fc=8kHz)

· 机器实现了小型化

将以往的第 6 代 V 系列 EP3(75A)替换为第 7 代 X 系列 EP2(75A) ※1 后

可将占用面积减小 36%

· 有助于提高机器的可靠性

实现了Tvj(op)=175℃下可连续工作

FUJI富士电机有助于电力转换装置小型化和高效化的 新一代功率模块 第七代IGBT模块主要特点:

1. 低损耗

通过减小模块内部IGBT及二极管芯片的厚度实现微细化,从而优化了模块结构。

由此,与以往的产品(本公司第6代V系列)相比,减少了变频器动作时的电力损耗。变频器损耗减少10%、芯片温度降低11℃

(相较于第6代V系列EP3封装75A、fc=8kHz)

2. 小型化

使用新开发的绝缘基板,提高了模块的散热性。

通过在减少电力损耗的同时抑制发热,比以往产品的大小缩小了约36%。

3. 高温动作

通过兼具高可靠性和高耐热性的封装及芯片的优化,实现了在175℃环境下的连续动作。

·  与以往产品相比,输出可进一步提升35%

·  ΔTvj功率寿命循环的耐量提高(是以往产品的2倍)

更多信息,请咨询技术团队

技术团队

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