从先进器件到系统级方案 罗姆倾情助力工业电机设计

winniewei 提交于 周二, 12/15/2020
从先进器件到系统级方案 罗姆倾情助力工业电机设计

引言

作为全球能源消耗的重点产品,各类电机消耗了全球一半以上的电力资源,足见电机应用在整个社会运转中的重要作用,特别是在各种数字化产业升级趋势的引领下,功能越来越强大的电机系统在工业应用中发挥着越来越重要的作用。因此,如何实现更高效更节能的电机系统对整个工业系统的运行效率和成本效益起着决定性的作用,对整个世界的节能环保同样意义非凡。

正文

工业电机是电机应用的关键领域,没有高效的电机系统就无法搭建先进的自动化生产线,由于应用条件比较苛刻和对性能要求比较严格,设计复杂的工业电机系统涉及众多元器件产品,不同产品在整个系统中各司其职,共同打造出高效可靠的完整电机解决方案。对典型的工业电机系统来说,除了标准的电机控制单元之外,功率器件决定着系统的能效,控制电源能够确保系统的可靠性,传感器则能大幅提升系统的自动化和智能化,出色的电机系统同样离不开这些器件的协同工作。

为了满足用户的全新需求,罗姆不仅提供各种先进的电机系统用先进器件如功率器件、传感器接口和稳压器等,还打造了诸多系统级解决方案,助力客户打造先进的工业电机系统。

1.  高效功率器件助力高效率电机系统

输出功率是电机系统最重要的指标之一,输入输出功率比则是代表了电机的工作效率,如何充分的提升工业电机系统的能源转换效率需要充分的提升电机的输出功率,采用先进的功率器件能够直观的提升系统的效率。罗姆的功率元器件产品以各种形式呈现优良特性,并通过能够发挥特性的解决方案设计,满足客户的需求。对于不同的设计特点,罗姆能够提供从半导体晶圆到芯片,从分立器件到功率模块等多样化产品,从而充分的满足客户设计要求。

作为第三代半导体代表性技术,SiC材料的功率器件具有高耐压大功率等特点,非常适合追求更高的频率和更高效率的系统,罗姆作为研究SiC材料最早的厂商之一,可以提供内置优良的高电压、大电流功率元器件的高性能模块,并且还能提供以芯片、功率封装、表面贴装封装等多种规格的高性能SiCMOSFETSiCSBD(肖特基势垒二极管)等产品,即使不断提高频率也能维持整个系统的高效率,从而加快了客户面向工业设备电机的创新。

除了新材料的SiCMOSFET SBD之外,罗姆专为电机及逆变器的节能化开发的PrestoMOS™系列对内置600V超级结MOSFET的二极管进行了优化,其恢复时间(trr)相比于传统产品减少了80%,同时可以有效降低开关损耗、提升电机系统的再生性能,降低电机系统的EMI噪声,抑制制动时的逆起电压。

另一方面,罗姆的650V耐压快恢复二极管,可以安全抑制制动时的逆起电压,并通过反复改进软恢复特性,提供了恢复时间与正向电压折中的特性,易于实现电机系统的低EMC噪声。特别的,罗姆根据实际不同的需要,提供了突出软恢复并实现包括振铃在内的低噪声化的“低正向电压/超低噪声系列”和通过实现高速恢复降低了恢复能量的“高恢复时间/超低噪声”系列,满足客户的不同系统设计需求。

此外,罗姆还提供栅极驱动器和内置绝缘元件的栅极驱动器系列产品。通过以多通道栅极驱动器紧凑的构成逆变器驱动电路,可以安全的构建半桥应用,从而防止高边和低边同时开路,通过提供1200V高边浮动耐压,助力客户开发安全性和功能性兼顾的电机系统。特别的,罗姆提供内置自举二极管的BS2132F产品,在以6通道高边和低边构建紧凑的系统的同时,可以根据系统设定过电流检测值,从而提高系统安全性。内置绝缘元件的栅极驱动器产品方面,罗姆可以提供3,750V绝缘耐压的驱动器,并以超薄封装实现系统的小型化。而具有2,500V绝缘耐压以及多种安全性能的产品系列,可以通过监视栅极状态检测功率器件的驱动异常,并通过温度关断预防热失控,还能通过软关断安全的控制功率元器件,从而大幅提升电机系统的可靠性。

2.  决定电机系统稳定的稳压器

稳定是工业电机系统最重要的安全性能指标之一,稳定的电机控制系统首先需要正确且稳定的控制电源,罗姆作为能够提供功率元器件和电源控制技术的综合电源系统解决方案供应商,除了提供转换器、变频器、控制电路的一级侧电源和二级侧非绝缘电源用DC/DC转换器以及输入+24V绝缘电源之外,还提供了包括参考设计、定制电路支持、变压器设计支持、从AC/DCDC/DC的一条路设计支持以及相关电气特性的测试支持等服务。

罗姆提供的AC400V~AC690V控制电源用高耐压一次电源解决方案提供外置SiCMOSFET和内置SiCMOSFET两种形态,还备有易于进行动作评估的评估套件、应用说明,可以助力客户的整机设计并扩大了适用范围。该方案充分发挥了专为工业设备辅助设备电源开发的1700V耐压SiCMOSFET的高速性和低RDSon的一次电源电路与SiC专用高压输入AC/DC控制器组合,为客户提供了综合解决方案的参考设计。在AC100V~AC240V的控制电源用中耐压一次电源IC方面,罗姆提供了内置650V/800VMOSFETAC/DC转换器的参考方案,具有输入AC电压监测、高精度2次侧过压保护、电流检测电阻的开路和短路保护以及动态过电流限制等功能,并提供10年供应保障的低EMILB级别的驱动电路。此外,罗姆还提供了可广泛应用于商用电源(AC90V~AC264V)及DC24V~28V电源用图的绝缘用控制IC系列,通过选择直流外置低耐压的MOSFET或交流外置650V/800VMOSFET,构成适用于输入电压的绝缘型开关电源电路。

在稳压应用方面,罗姆还提供二次电源用恒压稳压器和浪涌吸收用二极管,以及高效率小型化的二次电源用DC/DC转换器,供客户在设计完整电机系统时选择采用。

3.  传感——精确运动控制的得力助手

电机系统最主要的工作任务之一就是运动控制,而运动控制需要正确传递动作的传感器,对电机系统来说,将传感器的模拟信息转换为数字的AD转换器非常重要。罗姆在这方面同样提供了先进且品类丰富的元器件,比如准确安全的检测电流所需要的电流检测用分流电阻器、旗下Kionix检测振动并通知设备异常的三轴加速度传感器,以及AD转换器等模拟接口丰富的旗下LAPIS工业用微控制器ML62Q1000系列等,满足客户对各种工业电机的设计需求。

罗姆的GMR系列大功率低电阻分流电阻器具有在大功率区域损耗少并能以高精度进行电流检测的优势,通过优化了电极结构和电阻体元件的设计,大幅降低了发热,结合在较低电阻领域也能达到优良的电阻温度系数和可实现较高的额定功率保证等优点,大幅提升了系统的安全性、稳定性和可靠性。适用于中功率电机的电流传感器用途的分流电阻器LTR低阻值系列,通过采用长边电极结构来缩短端子间的距离,减轻对焊接结合部的机械应力,从而更适应温度变化并大幅提升连接的可靠性。

工业电机系统的设备数据获取是传感器的重要应用,获取这些数据有助于对电机系统的运转情况和健康情况进行更好的监测。在工业设备的健康监测用途方面,罗姆旗下Kionix的三轴加速度传感器KX134-1211KX132-1211的工作温度提升到105度,广泛适用于各种频率和加速度监测,特别符合工业设备的电机振动分析等机器健康监测的需求。罗姆的温度传感器IC则在单芯片中内置了温度监测元件、恒流电流、高精度基准电源电压,可用于需要温度检测的各种电子设备。

4.  发挥器件优势,构建系统级方案

借助自身元器件在高效和高可靠性的优势,罗姆将功率器件、稳压器和传感控制三大应用方面适合的产品组成解决方案,希望能够帮助客户借助罗姆的技术更快速高效地开发先进的电机系统,从而更好的服务于不断变革的工业自动化产业。

4.1三相AC400V输入工业用逆变器驱动器方案

在率先推出的三大系统级解决方案中,三相AC400V输入工业用逆变器驱动器方案可以说是对功率元器件严峻的考验。该方案集合了罗姆众多SiC元器件和功率模块,作为SiC元器件的先驱,罗姆不仅开发了多种先进的SiC器件,还在开发IGBT元器件,并提供驱动元器件的栅极驱动器、用于控制电源的内置SiCAC/DC转换器等,配合传感器接口和稳压器等产品,便于客户快速打造适合需求的高可靠性高效率解决方案。

 

三相AC400V输入工业用变频电机系统方框图

三相AC400V输入工业用变频电机系统方框图

4.2三相AC100~240V输入工业用AC伺服系统

相比而言,中压应用方面的三相AC100~240V输入工业用AC伺服系统则是展现了罗姆以栅极驱动器、功率元器件一体型的IPM为中心的综合元器件开发能力,该方案整合了600VIGBT-IPM和制动器用的IGBT、快速恢复二极管以及内置3750V耐压绝缘元件的栅极驱动器等。对于AC伺服系统,传感器的重要性不亚于功率器件,罗姆在该方案中提供了助力控制系统的丰富传感器和微控制器产品,包括工业设备专用的旗下Kionix3轴加速度传感器和旗下LAPIS的强化微控制器等,从而为客户提供完整而又便于快速成型的系统级解决方案。

 

三相AC100~240V输入工业用AC伺服系统方框图

三相AC100~240V输入工业用AC伺服系统方框图

4.3AC100~240VDC24V~48V非绝缘电机驱动系统方案

对自动门、屏蔽门等嵌入式工业设备,以及对电池驱动的AGV、电动轮椅和福利设施等非绝缘电机应用,罗姆也可以根据用途以系统的形式提供各种产品和完整解决方案,为设备启动提供快速支持。在罗姆的AC100~240CDC24V~48V非绝缘电机驱动系统解决方案中,罗姆提供了600VIGBT-IPMIGBT/MOSFET高低边3相桥驱动器和工业用16位微控制器等产品,便于客户更好的搭配适合自己的设计需求。

特别是,随着AI技术的广泛应用,罗姆还推出了为AI智能控制的AGV、用于医疗及护理现场的移动方式和近距离通勤车的小型移动工具开发的,以充电电池为动力源的低电压、非绝缘电机驱动参考设计(根据用途不同提供~50W~150W~300W三种),并提供了综合设计支持,对于从启动时就需要低速、高扭矩的应用,利用罗姆的预驱动器、栅极驱动器和MOSFET等器件,实现了小型高效率的参考设计方案。

单相AC100V~AC240V非绝缘电机驱动系统方框图

单相AC100V~AC240V非绝缘电机驱动系统方框图

 

DC24V~DC48V工业电机驱动系统方框图

DC24V~DC48V工业电机驱动系统方框图

5.  展望

“万丈高楼平地起,一砖一瓦皆根基”,于工业电机设计而言亦是如此,工业领域的快速发展与电机产品的技术进步是相辅相成的。随着现代工业生产的信息化和自动化程度不断加深,集成电机、诊断、保护、控制、通信等功能的完备的智能电机系统需求也将越来越大,要求越来越严,而罗姆将持续着力于工业电机内部的各类先进器件,用更多创新的产品与解决方案,助力客户打造顺应时代需求的现代工业电机系统。

【关于罗姆(ROHM)】

罗姆(ROHM)成立于1958年,由起初的主要产品-电阻器的生产开始,历经半个多世纪的发展,已成为世界知名的半导体厂商。罗姆的企业理念是:我们始终将产品质量放在第一位。无论遇到多大的困难,都将为国内外用户源源不断地提供大量优质产品,并为文化的进步与提高作出贡献

罗姆的生产、销售、研发网络分布于世界各地。产品涉及多个领域,其中包括IC、分立式元器件、光学元器件、无源元器件、功率元器件、模块等。在世界电子行业中,罗姆的众多高品质产品得到了市场的许可和赞许,成为系统IC和先进半导体技术方面的主导企业。

【关于罗姆(ROHM)在中国的业务发展】

销售网点:起初于1974年成立了罗姆半导体香港有限公司。在1999年成立了罗姆半导体(上海)有限公司, 2006年成立了罗姆半导体(深圳)有限公司,2018年成立了罗姆半导体(北京)有限公司。为了迅速且准确应对不断扩大的中国市场的要求,罗姆在中国构建了与总部同样的集开发、销售、制造于一体的垂直整合体制。作为罗姆的特色,积极开展密切贴近客户的销售活动,力求向客户提供周到的服务。目前在中国共设有20处销售网点,其中包括香港、上海、深圳、北京这4家销售公司以及其16家分公司(分公司:大连、天津、青岛、南京、合肥、苏州、杭州、宁波、西安、武汉、东莞、广州、厦门、珠海、重庆、福州)。并且,正在逐步扩大分销网络。

技术中心:在上海和深圳设有技术中心和QA中心,在北京设有华北技术中心,提供技术和品质支持。技术中心配备精通各类市场的开发和设计支持人员,可以从软件到硬件以综合解决方案的形式,针对客户需求进行技术提案。并且,当产品发生不良情况时,QA中心会在24小时以内对申诉做出答复。

生产基地:1993年在天津(罗姆半导体(中国)有限公司)和大连(罗姆电子大连有限公司)分别建立了生产工厂。在天津进行二极管、LED、激光二极管、LED显示器和光学传感器的生产,在大连进行电源模块、热敏打印头、接触式图像传感器、光学传感器的生产,作为罗姆的主力生产基地,源源不断地向中国国内外提供高品质产品。

社会贡献:罗姆还致力于与国内外众多研究机关和企业加强合作,积极推进产学研联合的研发活动。2006年与清华大学签订了产学联合框架协议,积极地展开关于电子元器件先进技术开发的产学联合。2008年,在清华大学内捐资建设清华-罗姆电子工程馆,并已于20114月竣工。2012年,在清华大学设立了清华-罗姆联合研究中心,从事光学元器件、通信广播、生物芯片、SiC功率器件应用、非挥发处理器芯片、传感器和传感器网络技术(结构设施健康监测)、人工智能(机器健康检测)等联合研究项目。除清华大学之外,罗姆还与国内多家知名高校进行产学合作,不断结出丰硕成果。

罗姆将以长年不断积累起来的技术力量和高品质以及可靠性为基础,通过集开发、生产、销售为一体的扎实的技术支持、客户服务体制,与客户构筑坚实的合作关系,作为扎根中国的企业,为提高客户产品实力、客户业务发展以及中国的节能环保事业做出积极贡献。

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