作為全球能源消耗的重點產品,各類電機消耗了全球一半以上的電力資源,足見電機應用在整個社會運轉中的重要作用,特別是在各種數位化產業升級趨勢的引領下,功能越來越強大的電機系統在工業應用中發揮著越來越重要的作用。因此,如何實現更高效更節能的電機系統對整個工業系統的運行效率和成本效益起著決定性的作用,對整個世界的節能環保同樣意義非凡。
工業電機是電機應用的關鍵領域,沒有高效的電機系統就無法搭建先進的自動化生產線,由於應用條件比較苛刻和對性能要求比較嚴格,設計複雜的工業電機系統涉及眾多元器件產品,不同產品在整個系統中各司其職,共同打造出高效可靠的完整電機解決方案。對典型的工業電機系統來說,除了標準的電機控制單元之外,功率器件決定著系統的能效,控制電源能夠確保系統的可靠性,傳感器則能大幅提升系統的自動化和智能化,出色的電機系統同樣離不開這些器件的協同工作。
為了滿足用戶的全新需求,羅姆不僅提供各種先進的電機系統用先進器件如功率器件、傳感器接口和穩壓器等,還打造了諸多系統級解決方案,助力客戶打造先進的工業電機系統。
1.高效功率器件助力高效率電機系統
輸出功率是電機系統最重要的指標之一,輸入輸出功率比則是代表了電機的工作效率,如何充分的提升工業電機系統的能源轉換效率需要充分的提升電機的輸出功率,採用先進的功率器件能夠直觀的提升系統的效率。羅姆的功率元器件產品以各種形式呈現優良特性,並通過能夠發揮特性的解決方案設計,滿足客戶的需求。對於不同的設計特點,羅姆能夠提供從半導體晶圓到晶片,從分立器件到功率模塊等多樣化產品,從而充分的滿足客戶設計要求。
作為第三代半導體代表性技術,SiC材料的功率器件具有高耐壓大功率等特點,非常適合追求更高的頻率和更高效率的系統,羅姆作為研究SiC材料最早的廠商之一,可以提供內置優良的高電壓、大電流功率元器件的高性能模塊,並且還能提供以晶片、功率封裝、表面貼裝封裝等多種規格的高性能SiCMOSFET和SiC SBD(肖特基勢壘二極體)等產品,即使不斷提高頻率也能維持整個系統的高效率,從而加快了客戶面向工業設備電機的創新。
除了新材料的SiCMOSFET和SBD之外,羅姆專為電機及逆變器的節能化開發的PrestoMOS™系列對內置600V超級結MOSFET的二極體進行了優化,其恢復時間(trr)相比於傳統產品減少了80%,同時可以有效降低開關損耗、提升電機系統的再生性能,降低電機系統的EMI噪聲,抑制制動時的逆起電壓。
另一方面,羅姆的650V耐壓快恢復二極體,可以安全抑制制動時的逆起電壓,並通過反覆改進軟恢復特性,提供了恢復時間與正向電壓折中的特性,易於實現電機系統的低EMC噪聲。特別的,羅姆根據實際不同的需要,提供了突出軟恢復並實現包括振鈴在內的低噪聲化的「低正向電壓/超低噪聲系列」和通過實現高速恢復降低了恢復能量的「高恢復時間/超低噪聲」系列,滿足客戶的不同系統設計需求。
此外,羅姆還提供柵極驅動器和內置絕緣元件的柵極驅動器系列產品。通過以多通道柵極驅動器緊湊的構成逆變器驅動電路,可以安全的構建半橋應用,從而防止高邊和低邊同時開路,通過提供1200V高邊浮動耐壓,助力客戶開發安全性和功能性兼顧的電機系統。特別的,羅姆提供內置自舉二極體的BS2132F產品,在以6通道高邊和低邊構建緊湊的系統的同時,可以根據系統設定過電流檢測值,從而提高系統安全性。內置絕緣元件的柵極驅動器產品方面,羅姆可以提供3,750V絕緣耐壓的驅動器,並以超薄封裝實現系統的小型化。而具有2,500V絕緣耐壓以及多種安全性能的產品系列,可以通過監視柵極狀態檢測功率器件的驅動異常,並通過溫度關斷預防熱失控,還能通過軟關斷安全的控制功率元器件,從而大幅提升電機系統的可靠性。
2.決定電機系統穩定的穩壓器
穩定是工業電機系統最重要的安全性能指標之一,穩定的電機控制系統首先需要正確且穩定的控制電源,羅姆作為能夠提供功率元器件和電源控制技術的綜合電源系統解決方案供應商,除了提供轉換器、變頻器、控制電路的一級側電源和二級側非絕緣電源用DC/DC轉換器以及輸入+24V絕緣電源之外,還提供了包括參考設計、定製電路支持、變壓器設計支持、從AC/DC到DC/DC的一條路設計支持以及相關電氣特性的測試支持等服務。
羅姆提供的AC400V~AC690V控制電源用高耐壓一次電源解決方案提供外置SiCMOSFET和內置SiCMOSFET兩種形態,還備有易於進行動作評估的評估套件、應用說明,可以助力客戶的整機設計並擴大了適用範圍。該方案充分發揮了專為工業設備輔助設備電源開發的1700V耐壓SiCMOSFET的高速性和低RDS(on) 的一次電源電路與SiC專用高壓輸入AC/DC控制器組合,為客戶提供了綜合解決方案的參考設計。在AC100V~AC240V的控制電源用中耐壓一次電源IC方面,羅姆提供了內置650V/800VMOSFET的AC/DC轉換器的參考方案,具有輸入AC電壓監測、高精度2次側過壓保護、電流檢測電阻的開路和短路保護以及動態過電流限制等功能,並提供10年供應保障的低EMILB級別的驅動電路。此外,羅姆還提供了可廣泛應用於商用電源(AC90V~AC264V)及DC24V~28V電源用圖的絕緣用控制IC系列,通過選擇直流外置低耐壓的MOSFET或交流外置650V/800VMOSFET,構成適用於輸入電壓的絕緣型開關電源電路。
在穩壓應用方面,羅姆還提供二次電源用恆壓穩壓器和浪湧吸收用二極體,以及高效率小型化的二次電源用DC/DC轉換器,供客戶在設計完整電機系統時選擇採用。
3.傳感——精確運動控制的得力助手
電機系統最主要的工作任務之一就是運動控制,而運動控制需要正確傳遞動作的傳感器,對電機系統來說,將傳感器的模擬信息轉換為數字的AD轉換器非常重要。羅姆在這方面同樣提供了先進且品類豐富的元器件,比如準確安全的檢測電流所需要的電流檢測用分流電阻器、旗下Kionix檢測振動並通知設備異常的三軸加速度傳感器,以及AD轉換器等模擬接口豐富的旗下LAPIS工業用微控制器ML62Q1000系列等,滿足客戶對各種工業電機的設計需求。
羅姆的GMR系列大功率低電阻分流電阻器具有在大功率區域損耗少並能以高精度進行電流檢測的優勢,通過優化了電極結構和電阻體元件的設計,大幅降低了發熱,結合在較低電阻領域也能達到優良的電阻溫度係數和可實現較高的額定功率保證等優點,大幅提升了系統的安全性、穩定性和可靠性。適用於中功率電機的電流傳感器用途的分流電阻器LTR低阻值系列,通過採用長邊電極結構來縮短端子間的距離,減輕對焊接結合部的機械應力,從而更適應溫度變化並大幅提升連接的可靠性。
工業電機系統的設備數據獲取是傳感器的重要應用,獲取這些數據有助於對電機系統的運轉情況和健康情況進行更好的監測。在工業設備的健康監測用途方面,羅姆旗下Kionix的三軸加速度傳感器KX134-1211和KX132-1211的工作溫度提升到105度,廣泛適用於各種頻率和加速度監測,特別符合工業設備的電機振動分析等機器健康監測的需求。羅姆的溫度傳感器IC則在單晶片中內置了溫度監測元件、恆流電流、高精度基準電源電壓,可用於需要溫度檢測的各種電子設備。
4.發揮器件優勢,構建系統級方案
藉助自身元器件在高效和高可靠性的優勢,羅姆將功率器件、穩壓器和傳感控制三大應用方面適合的產品組成解決方案,希望能夠幫助客戶藉助羅姆的技術更快速高效地開發先進的電機系統,從而更好的服務於不斷變革的工業自動化產業。
4.1 三相AC400V輸入工業用逆變器驅動器方案
在率先推出的三大系統級解決方案中,三相AC400V輸入工業用逆變器驅動器方案可以說是對功率元器件嚴峻的考驗。該方案集合了羅姆眾多SiC元器件和功率模塊,作為SiC元器件的先驅,羅姆不僅開發了多種先進的SiC器件,還在開發IGBT元器件,並提供驅動元器件的柵極驅動器、用於控制電源的內置SiC的AC/DC轉換器等,配合傳感器接口和穩壓器等產品,便於客戶快速打造適合需求的高可靠性高效率解決方案。
三相AC400V輸入工業用變頻電機系統方框圖
4.2 三相AC100~240V輸入工業用AC伺服系統
相比而言,中壓應用方面的三相AC100~240V輸入工業用AC伺服系統則是展現了羅姆以柵極驅動器、功率元器件一體型的IPM為中心的綜合元器件開發能力,該方案整合了600VIGBT-IPM和制動器用的IGBT、快速恢復二極體以及內置3750V耐壓絕緣元件的柵極驅動器等。對於AC伺服系統,傳感器的重要性不亞於功率器件,羅姆在該方案中提供了助力控制系統的豐富傳感器和微控制器產品,包括工業設備專用的旗下Kionix的3軸加速度傳感器和旗下LAPIS的強化微控制器等,從而為客戶提供完整而又便於快速成型的系統級解決方案。
三相AC100~240V輸入工業用AC伺服系統方框圖
4.3 AC100~240V、DC24V~48V非絕緣電機驅動系統方案
對自動門、屏蔽門等嵌入式工業設備,以及對電池驅動的AGV、電動輪椅和福利設施等非絕緣電機應用,羅姆也可以根據用途以系統的形式提供各種產品和完整解決方案,為設備啟動提供快速支持。在羅姆的AC100~240C和DC24V~48V非絕緣電機驅動系統解決方案中,羅姆提供了600VIGBT-IPM、IGBT/MOSFET高低邊3相橋驅動器和工業用16位微控制器等產品,便於客戶更好的搭配適合自己的設計需求。
特別是,隨著AI技術的廣泛應用,羅姆還推出了為AI智能控制的AGV、用於醫療及護理現場的移動方式和近距離通勤車的小型移動工具開發的,以充電電池為動力源的低電壓、非絕緣電機驅動參考設計(根據用途不同提供~50W,~150W和~300W三種),並提供了綜合設計支持,對於從啟動時就需要低速、高扭矩的應用,利用羅姆的預驅動器、柵極驅動器和MOSFET等器件,實現了小型高效率的參考設計方案。
單相AC100V~AC240V非絕緣電機驅動系統方框圖
DC24V~DC48V工業電機驅動系統方框圖
展望
「萬丈高樓平地起,一磚一瓦皆根基」,於工業電機設計而言亦是如此,工業領域的快速發展與電機產品的技術進步是相輔相成的。隨著現代工業生產的信息化和自動化程度不斷加深,集成電機、診斷、保護、控制、通信等功能的完備的智能電機系統需求也將越來越大,要求越來越嚴,而羅姆將持續著力於工業電機內部的各類先進器件,用更多創新的產品與解決方案,助力客戶打造順應時代需求的現代工業電機系統。