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    2024-5-17 19:52
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    过去十年,新装服务器的市场需求增长迅猛,2015到2022年复合年均增长率达到了11%。拉动市场增长的动力主要来自以下几个方面:首先,个人文件无纸化。。。 01 前言 过去十年,新装服务器的市场需求增长迅猛,2015到2022年复合年均增长率达到了11%。拉动市场增长的动力主要来自以下几个方面:首先,个人文件无纸化和企业办公数字化进程加快;其次,全球健康危机期间的居家办公,新媒体平台融入个人生活,致使屏幕使用时间大幅增加;最后,随着人工智能的兴起和普及,这个市场将继续保持高速增长。在这个背景下,给服务器设计开关电源殊为不易,主要是处理高热耗散问题,以及降低这种大型可扩展设备的维修成本,这是摆在电源开发者面前的两大难题。 基于可控硅来解决这两大问题的方案应运而生,提出了用可控硅替代传统机电开关的设计在开关电源的AC/DC部分的启动功能的方案。 02 先进技术 a) 原理 在AC-DC功率转换器启动过程中,大容量电容直流充电时会产生高于系统标称稳态电流10倍的大电流,这种涌流会在市电交流电源上产生电压降,从而影响同一电源连接的其他设备的正常运行。在IEC61000-3-3标准里有电压波动和频闪的定义。 要想保护电气设备的安全和功率转换器的可靠性,必须抑制这种浪涌电流。事实上,浪涌电流可能会触发或烧毁电源串联的设备,例如,断路器、保险丝、电容器或桥式整流器。 有三种解决方案可以抑制电气设备连接电源时产生的浪涌电流: ✦用继电器并联NTC或PTC热敏电阻,在电源恢复到稳态后短接启动电阻,传输电能,降低电阻的电能损耗; ✦用SCR可控硅代替方案1的继电器; ✦用SCR设计软启动的导通配置。 关于每个涌流抑制解决方案在启动阶段和稳态阶段的工作原理图,见图1。 ▲图1:AC/DC转换器:浪涌电流抑制电路拓扑 b) 为软启动寻找一个适合的方法 以前的标准拓扑是用机电继电器建立一条旁路,绕过管理浪涌电流的NTC热敏电阻。用SCR建立旁路也可以实现同样的效果。现在更加优化的方法是采用软启动拓扑。 通过用相位角控制SCR开关操作,可以把PFC输出电容器的电压平稳地提高至交流线路的峰值电压。MCU控制预充电流峰值,并同步SCR栅极驱动信号的相位角步长(图2中的Δt)。 ▲图2:采用纯SCR拓扑的软启动 不难发现,I LINE 峰值和Δt值是相关的:Δt值越大,I LINE 峰值越高,系统启动越快。 c) 纯SCR涌流抑制拓扑的优点 软启动拓扑允许设计人员不用机电元件和无源元件(即NTC或PTC)就能处理在应用启动阶段出现的浪涌电流,从而降低AC/DC整流部分的物料成本。 通过用MCU控制SCR的导通,设计人员可以轻松设置线路电流大小,改善启动时间,同时满足IEC61000-3-3标准。 SCR可控硅X1和X2正在取代下桥臂上的标准整流二极管,可控硅驱动电路是由一个双向晶闸管Q1和两个小二极管D1和D2组成。 因为采用这种驱动器配置,MCU可直接控制SCR导通,无需额外隔离电路和交流线路极性检测。只要被施加正偏置电压后,SCR就能正向导通,因此当将栅极电流反向施加到未使用的SCR时,没有潜在功率损耗的风险。 这种全固态浪涌电流管理方案没有笨重的活动的机械元件,因而改进了电源的可靠性和使用寿命。此外,应用中不再有因为继电器触点弹跳产生的EMI噪声。与继电器相比,可控硅没有老化问题。 图3从能效、功率密度、使用寿命、声学噪声和电磁干扰几个方面比较了16A SCR和16A机械继电器的应用性能。 ▲图3:SCR与机械式继电器性能对比 03 数据中心的电力损耗非常严重 数据中心SMPS设计人员面临的主要难题是功率损耗。即使散热方法不断改进,不管是水冷还是油冷,首要手段仍然是限制转换器分立功率器件的电能损耗,使开关电源尽可能达到最高能效。 a) 基于继电器的1500W电源与基于SCR的1500W电源能耗对比 我们在1500W电源装置(PSU)上测量了纯SCR解决方案的能效。该电源的最初配置使用的是机械继电器,我们用意法半导体开发的评估板(STEVAL SCR002V1)替换机械继电器,在电源上实现一个纯SCR的启动拓扑。图4显示了两种解决方案在输出负载从10%到100%时的能效。 SCR拓扑的能效与继电器的能效完全相同。 ▲图4:1500W电源能效对负载比曲线图 b) 150°C结温下的SCR损耗优化 选择正确的SCR对于防止高功率损耗和可能的过热现象非常重要。意法半导体开发了一系列AC/DC转换器专用的SCR。 150°C最大结温是关键参数。图5描述了16A SCR(TN1605H-8I)在高温条件下的通态特性。在150°C结温和RMS 6.5A电流(在1500W/230V电源上)时,SCR的通态压降低于正常温度25°C的通态压降,所以,SCR在高温工作时的功率损耗会更低。 在高温工作时,SCR还有其他优点:较低的散热要求、更宽的温度裕量、更高的可靠性。 ▲图5:16A SCR在高温通态时的特性 04 电路实现及工作方式 设计者的第一个问题是“如何设计整流桥中的SCR栅极电路”? 这个问题很容易回答,因为下面的栅极电路是由分立器件组成的,由MCU直接控制,并且不需要给接口额外加隔离器件。 为了简单地解释电路的工作原理,我们只讨论交流线路正弦波的正半波,下面是电路运行方式:SCR可控硅X2是由Q1通过二极管D2导通。因此,一旦MCU激活Q1,X2也会导通。Q1栅极电流来自MCU,而X2栅极电流是通过Q1和D2接收的交流电源的电流。 ▲图6:电路工作方式 在正弦波的正半周期,D1二极管被反向偏置,因此没有栅极电流流过X1 SCR的栅极,从而防止SCR 漏电流导致的反向损耗增加。 在浪涌阶段,MCU控制Q1三端双向可控硅开关元件的相位角,因此,X2 SCR也是用相位角控制。浪涌电流流经D3、PFC输出电容(C)、X2 SCR,然后回到零线。Vdc充电顺利。 在稳定状态下,PFC导通,MCU控制Q1三端双向可控硅全波段导通,X2可控硅导通。在交流电源正弦负半周期也是同样的操作,使用相同的MCU I/O信号。 05 总结 纯SCR拓扑及其专用的非绝缘驱动器可以轻松地替代机电继电器和/或无源元件解决电气设备启动时的浪涌电流问题,这个基于高结温SCR的完整固态解决方案非常适合功率密度非常高的应用场景,例如,数据中心的SMPS电源。该方案有以下几个好处:高能效;去除机械部件,高可靠性;实现简单的非隔离控制电路 找元器件上唯样商城
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    2024-5-16 00:25
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    MPPT(Maximum Power Point Tracking)是光伏逆变器系统实现最大程度利用太阳能的关键部分,不同的MPPT拓扑有各自的特点。本文将对比常见的三种MPPT电路,并对双boost (Dual Boost)的开关模式限制做了原理性分析,直观解释了Dual Boost 在MPPT中无法交错开关。针对不同的电压与电流等级,本文提供了英飞凌针对各种拓扑的参考器件选型方案,为设计高效可靠的MPPT提供便利。 “ MPPT基本原理与常用拓扑 如何将太阳能最大程度转化为电能,除了光伏电池板自身技术的发展以外,最大功率跟踪MPPT也是压榨太阳能利用率的重要环节。一般情况下,光照强度越大,光伏电池板能够输出的功率也越大。下图是一定光照强度下电池板的输出特性曲线,可以发现存在某个点的输出功率最大(MPP,Maximum Power Point)。 图1.光伏电池板输出特性曲线 这个现象可以用一个简化的模型来解释,如下图。负载电阻接收的功率为: 当输出电阻 Ro 调节到与电源内阻 Rint 相同时,负载可以接收到最大功率。光伏系统中的MPPT电路就起到了调节负载端的输入阻抗,以获得最大功率的目的。 图2.MPPT原理示意图 MPPT一般选用非隔离型的DC/DC电路,Buck、Boost以及Buck-Boost电路都有合适的应用场合。只不过Buck与Buck-Boost一般多用于小功率光伏系统中,在以后的文章中将再次提及这一部分,这里不多做介绍。中大功率的MPPT一般都是Boost电路及其衍生电路,除了Boost电路本身拓扑简单以外,逆变侧对高压直流母线的需求也使得升压电路更受欢迎。 图3.Single Boost 图4.Dual Boost 图5.FC Boost 左右滑动查看更多 以上是MPPT中常用的Boost电路及其衍生电路的拓扑,两电平的Single Boost电路结构简单,但是器件的电压应力会更大些;Dual Boost与Flying Capacitor Boost都属于三电平的拓扑,因而器件的电压应力减半,但这两种拓扑在光伏MPPT应用中还有很大的不同。 “ Dual Boost在MPPT中的开关模式限制 由于共模漏电流的问题 ,Dual Boost的两颗主动管无法交错,只能同步开关,不能起到倍频减小电感的作用。图6是考虑光伏电池板对地寄生电容的简化系统, Cpv+ 与 Cpv- 分别是电池阵列正负母线对地电容, LP 、 LN 是Boost输入电感, LA , LB 和 LC 是逆变器的输出电感。地电流也就是共模漏电流如果过大的话,一方面不能满足安全标准,另一方面对光伏电池板本身的寿命也有影响。图7是将图6进行交流等效后的简化电路,忽略器件的差异,假设 LP = LN = L , C pv += Cpv- = Cpv/2 , LA = LB = LC = Lf ,当Dual Boost采取不同的控制方式时,共模漏电流 ic 会有不同的表达式。 图6.使用Dual Boost的光伏逆变系统 图.7 Dual Boost共模等效电路 当Dual Boost开关时,可以通过叠加定理方便地写出iC的表达式: 假设三相电压均衡,那 么vAN、vBN、vCN 的矢量和为0, iC 又可以简化为: 从这里我们可以看到排除掉元器件差异后,同样的拓扑下共模漏电流的值正比于正负母线的共模电压大小。为了便于大家更直观的理解,这里不再进行复杂的傅里叶分解,而是使用两张图来对比。图8和图9是不同工作模式下, vP+vN 与直流输出电压的比值。由此两图的对比可以看出,最终的傅里叶分解结果也是相差一个脉冲函数δ(ω)。因此使用Dual Boost交错开关时的共模漏电流会比同步开关时要大得多,很容易超过VDE或者GB/T等标准的值。 这里也可以顺便一提Single Boost,从图10可以看出正母线的共模噪声源被负母线旁路了,不产生对地的共模漏电流。 图8.交错开关时的共模电压 图9.同步开关时的共模电压 图10.Single Boost共模等效电路 “ FC Boost的特点 使用以上的方法,可以推导出FC Boost不存在共模漏电流的问题,两颗主动管可以交错开关,提高等效的开关频率,因此同样的电流纹波与开关频率下,电感值可以是原先的一半。但是FC Boost拓扑与控制较为复杂,还需要引入飞跨电容的预充电电路,并且还有一些专利壁垒 ,导致使用这个拓扑的门槛较高。 “ MPPT电路英飞凌模块解决方案 针对不同的拓扑与功率需求,英飞凌都有高效并且可靠的解决方案。近些年随着光伏电池本身技术的发展,单板电流越来越大,光伏电站对单瓦成本的要求又使得系统的交直流电压越来越高。针对这种电压愈高电流愈大的趋势,英飞凌根据客户的应用需求和创新设计开发了各种模块产品。 模块产品基于英飞凌的Easy封装,有着灵活的Pin针布置与极小的杂散电感,能够最大程度上发挥出芯片与拓扑本身的优势。图11是主要的一些方案,表1是1500V系统下适用的模块方案的具体信息。其中DF4-19MR20W3M1HF_H94采用业内领先2kV SiC芯片技术,每个模块有4路Boost,通过简单的拓扑即可实现1500VDC系统下的40A以上MPPT,开关频率可推高至30kHz以上进一步减小电感尺寸。 图11.MPPT模块方案概况 表1.1500V光伏系统MPPT解决方案 “ MPPT电路英飞凌单管解决方案 随着高压大电流的IGBT与SiC单管产品越来越多,光伏系统中也出现越来越多的分立器件方案以降低整体成本。英飞凌1200V的TRENCHSTOP™ IGBT7 H7产品兼顾了导通损耗与开关损耗,非常适合Boost MPPT的应用。表2 MPPT IGBT单管解决方案是针对不同电流时,开关频率16kHz下推荐的IGBT规格。如果使用SiC以获得更优异的性能,成倍提升的开关频率(32kHz)也能使得滤波电感大大减小,推荐的方案见表3。 表2.MPPT IGBT单管解决方案 表3.MPPT SiC单管解决方案 以40A的光伏电池输入为例,输入520V,输出800V,考虑40%的电流纹波情况下,IGBT方案与SiC方案的损耗与结温仿真结果如下。 可以看到在使用推荐的方案,IGBT工作于16kHz,SiC工作于32kHz时,在典型的满载工况下,单管的损耗与结温都有充足的裕量。因此也可以尝试将开关频率提到更高,以进一步提升功率密度。如果使用更大电流能力的器件去减少并联也是可以的,具体还要看大家自己的设计习惯。 以上是MPPT基本原理与英飞凌解决方案,各位在做方案选型时可以基于此去做参考。但由于不同的光伏电池板的电压、电流范围不同,不同设计习惯中的电流纹波也不同,具体的案例仍然需要结合具体工况去做详细评估。
  • 2024-5-16 00:23
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    找元器件上唯样商城 EconoDUAL™3是一款经典的IGBT模块封装,其上一代的1700V系列产品已经广泛应用于级联型中高压变频器、静止无功发生器(SVG)和风电变流器,覆盖了中功率和一部分大功率的应用场合。。。 本文提及的相关产品,均会在直播中出现
  • 2024-5-16 00:21
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    找元器件上唯样商城
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    2024-4-10 10:56
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    智能家居设备将在2028年占全球IP连接设备份额46%!
      【哔哥哔特导读】为什么智能家居有望成为继智能手机之后的下一个市场爆发点?   近两年来,传统消费电子市场疲软的情况已是有目共睹,智能手机和平板经过十多年的快速增长期后已经进入了存量市场时代,未来再难有大幅度的增长。   据TechInsight最近发布的一份数据报告显示,移动PC、平板和智能手机在全球联网设备中的份额大幅度缩水。这两大类的整体份额从2018年的26%降至2023年的14%。虽然TechInsight预测,智能手机将在未来五年间有2.3%的小幅增长,但移动PC和平板这一类别将停滞不前,预计到2028年的年复合增长率仅为0.3%。   从数据中可以看出,智能家居已接过智能手机的接力棒,可能成为未来十年消费电子领域快速增长的新风口。   报告中显示,近年来,智能家居设备是联网设备中增长最快的类别。联网智能家居设备的数量在过去的五年中增加了两倍,预计未来5年将再翻一番,到2028年,智能家居设备在所有联网设备中的份额将达到24%。   如果排除掉企业物联网以及联网汽车,智能家居设备在全球IP连接设备的份额已经从2018年的17%上升至2023年的32%,2028年将有望达到46%。      智能家居的飞速增长一方面得益于人们生活水平的提升,以往的传统家电难以满足日益增长的需求;另一方面,智能家居相关技术的不断突破与创新,切切实实的给人们的生活带来了舒适和便利。   而随着联网智能家居设备爆发式的增长,网络的安全性问题以及用户的隐私保护问题渐渐浮出水面。保护设备的数据加密和安全通信以及确保用户数据的隐私和安全成为当下联网智能家居设备亟需解决的问题。除此之外,智能家居目前还面临着诸如,如何延长设备的电池寿命以及减少能源消耗;如何兼容不同的通讯协议确保设备之间的互联互通等技术上的挑战。   针对上述挑战,Big-Bit商务网将在4月25日,于顺德举办2024中国(春季)智能家居技术创新峰会。届时峰会将邀请到高校教授、行业内资深从业人士针对Matter协议、AI技术、全屋集成、新传感技术等行业热点前沿话题进行探讨;集结智能家居主控、电控、屏驱、智能电源与功率半导体方案、智能家居无线技术、雷达传感器等最新技术趋势与解决方案分享。   会议还将提供专业的供需匹配服务,特邀优质元器件企业&智能家居、照明等厂商企业经营决策层、采购及供应链管理部门组团观众,双方开展供需交流,现场精准对接、高效沟通,聚变无限商机。
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