logotypen
 
 

IN FOCUS

Suojaa datasi kunnolla

SSD-levyt tarjoavat luontaisesti korkean luotettavuuden kaikentyyppisiin sovelluksiin, aina aloitustason kuluttajalaitteista kriittisiin järjestelmiin. Asianmukaiset tietosuojamekanismit voivat maksimoida levyn käyttöiän toteuttamalla ennaltaehkäiseviä toimenpiteitä tarpeen mukaan, kertoo Silicon Motion artikkelissaan.

Lue lisää...

Piikarbidiin perustuvat SiC-kytkimet tuovat merkittäviä parannuksia muun muassa sähköauton akkujen lataamiseen ja moottorien ohjaukseen. Lataus- ja ohjauselektroniikan tehotiheyttä ja käytettävissä olevan tilan tarkkaa hyödyntämistä voidaan vielä parantaa modulaarisella SiC Cube -rakenteella, jossa eri toiminnoista vastaavat piirikortit on sijoitettu kompaktiin kuutiomaiseen pakettiin.

Artikkelin kirjoittanut tekniikan tohtori Matthias Ortmann toimii Toshiba Electronics Europen teknologiajohtajana.

Polttomoottorin käyttö ajoneuvon ensisijaisena voimanlähteenä on hiipumassa, ja vaihtoehtona autoteollisuudessa suositaan sähkömoottoria. OEM-valmistajat puolestaan etsivät puolijohdeteollisuudesta uusia innovaatioita, joita tarvitaan tämän sähköistetyn tulevaisuuden toteuttamiseen.

Akkukäyttöiset sähköajoneuvot (BEV) ovat tällä hetkellä suosituin lähestymistapa, ja kaikki haluavat hallita osaamista, jota tarvitaan niiden tekemisessä mahdollisimman houkutteleviksi. Vaikka monet käyttäjät ovat turhankin innoissaan auton sisätiloissa olevista vimpaimista ja toiminnoista, ajoneuvon toimintamatka ja latausmahdollisuudet ovat edelleen kuluttajien keskeisiä huolenaiheita.

Laajan kaistavälin (WBG) puolijohteet, kuten piikarbidi (SiC), hyötyvät tästä autojen voimanlähteen muutoksesta ja tarjoavat huomattavia etuja verrattuna perinteisiin IGBT:n kaltaisiin tehokytkimiin, joihin aiemmin on luotettu. Myös passiivikomponenttien valmistajat työskentelevät ahkerasti. Induktiivisten osien uudet innovaatiot auttavat varmistamaan WBG-tekniikan edut entistä nopeampana kytkentäratkaisuna, joka tarjoaa ajoneuvoille enemmän toimintamatkaa sekä nopeampaa ja luotettavampaa lataustekniikkaa.

Kaiken takana on konkreettinen kysyntä. Sähköautokaupan liikevaihdon odotetaan nousevan tänä vuonna yli 620 miljardiin dollariin ja sen odotetaan kasvavan edelleen 10 prosentin vuosivauhtia [1]. Tämän seurauksena teillemme saataisiin yli 13 miljoonaa uutta BEV-autoa vuosikymmenen loppuun mennessä.

SiC MOSFETien uusia sukupolvia julkaistaan jatkuvasti ja paranneltuja passiivikomponentteja otetaan säännöllisesti käyttöön. Suunnittelijat pohtivat kaiken aikaa, kuinka niiden tarjoamia etuja voidaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti.

Yhteisiä piirteitä laturien muuntimissa

Tärkeä kehityksen painopistealue on EV-autojen lataus. Sekä BEV-ajoneuvoissa että ladattavissa hybrideissä (PHEV) on sisäänrakennettu laturi (OBC), joka voi tällä hetkellä toimia tehoalueella 3,6 – 22 kW. Laturiin voidaan syöttää vaihtovirtaa (AC) sähköverkosta kotona tai teidenvarsille ja parkkipaikoille sijoitettujen latauspisteiden kautta. Kotona tai työpaikalla tämä on ihanteellinen tapa täydentää akun varaustilaa ajoneuvon ollessa levossa.

Pidemmillä matkoilla tarpeellinen pikalataus on mahdollista tasavirtaa syöttävien DC-laturien avulla. Ne voivat syöttää tehoa 40-300 kilowattia tai jopa enemmän ohittamalla OBC-laturin ja lataamalla suoraan lähes tyhjän akun 80% varaustilaan noin 20-60 minuutissa.

Kummassakin tapauksessa laturin perusrakenne on samanlainen. Vaihtovirta syötetään tehokertoimen korjausyksikköön (PFC) ja sen jälkeen DC/DC-muuntimeen, joka syöttää akun latauspiiriä (kuva 1).

Kuva 1. Sähköauton latausjärjestelmän peruslohkot.

Energiatehokkuus eli korkea hyötysuhde on elintärkeä ominaisuus lämpöhäviöiden minimoimiseksi ja energian säästämiseksi, kun taas käytettävissä oleva tila ja suunnittelun sanelemat painotavoitteet tuovat paineita tehotiheyden vaatimuksiin. Lisäksi sähköautot nähdään mahdollisena teholähteenä sähköverkon häiriöiden tasapainottamisessa (V2G eli autosta verkkoon) tai jopa sähkön toimittajana kotiin hätätilanteissa (V2H eli autosta kotiin).

Tämä tarkoittaa, että laturit tarvitsevat kaksisuuntaisia rakenteita: toteemityyppisiä PFC-korjaimia, kaksoisaktiivisia siltoja (DAB) ja LLC-rakenteisia DC/DC-muuntimia. Kaikissa näissä hyödynnetään peruselementtinä siltahaaraa, ja sähkömoottorien inverttereissäkin tämä elementti on käytössä.

Kuva 2. Siltahaara on yleinen peruselementti PFC-, DC/DC- ja invertterirakenteissa.

Modulaarinen SiC-ratkaisu

Minkään mainitun rakenteen suunnittelu ei ole yksinkertaista, ja testauksen aikana esiintyy suuria jännitteitä ja virtoja. Toistuvat piiriosat näissä topologioissa tarjoavat kuitenkin mahdollisuuden käyttää modulaarisuutta keinona arvioida nopeasti erilaisia lähestymistapoja.

Esimerkiksi tulopuolen kelat, yksittäiset siltahaarat ja lähdön kondensaattorit voidaan eristää PFC-korjaimessa. Tulo- ja lähtöjännitteiden sekä virtojen mittaukset ja SiC MOSFETien ohjaus voidaan antaa neljännelle elementille, joka vastaa järjestelmän ohjauksesta. Tätä tarkoitusta varten digitaalisiin muunninsovelluksiin erityisesti suunniteltu mikro-ohjain on ihanteellinen ratkaisu (kuva 3.)

Kuva 3. PFC-korjaimen osat voidaan jakaa tulopuolen keloihin, lähdön kondensaattoreihin, siltahaaroihin ja ohjauslohkoon. Lohkoja käytetään myös DC/DC-muuntimissa ja moottorien inverttereissä.

Tätä lähestymistapaa on käytetty kehitettäessä modulaarisen EV-laturin referenssikonseptia (kuva 4). Se jakaa toteutuksen seitsemään piirilevyyn (PCB). Ytimessä ovat kytkinkortit, joissa on neljä SiC MOSFET -kytkintä nollapisteeseen lukitussa NPC-kytkennässä (Neutral Point Clamped).

Tämä tukee lämpökuorman ja jänniterasituksen jakamista kytkimien välillä ja vähentää kelojen magneettivuon (Vs) aaltoilua. Mukana on kaksi SiC-pohjaista Schottky-sulkudiodia (SBD), neljä hilaohjainta ja monimutkainen ohjelmoitava logiikkapiiri (CPLD), jotka yhdessä tuottavat tarkan kytkentätoiminnon sekä neljä ohjaussignaalia, jotka tarvitaan piiriratkaisun toimintaa varten.

Kussakin SiC MOSFETissa on sisäinen SBD-diodi, jonka myötäjännite on vain 1,35 volttia. Tämä integroitu sulkudiodi on avainasemassa, kun halutaan rajoittaa on-resistanssin muutoksia käyttöiän aikana. RDS(ON) × Qgd (hila-nielu-varaus) on 80% alhaisempi kuin edellisen sukupolven SiC-kytkimillä, ja laajempi VGSS-luokitus -10 V - +25 V puolestaan yksinkertaistaa hilaohjainpiirien suunnittelua.

Kuten missä tahansa tehonmuuntimessa, kytkimien optimaalinen ohjaus vaaditaan sovelluksen koko käyttöiän ajan. Tämä toteutetaan käyttämällä optisesti eristettyä TLP5214-hilaohjainta, joka tuottaa nopeaa kytkentää varten ±4,0 A lähtövirran, joka sitten syötetään Toshiban kolmannen sukupolven SiC MOSFETeille. Ohjaimeen on myös integroitu aktiivinen Miller-lukitus, joka estää kytkimien käynnistymisen parasiittisen dV/dt-liipaisun aiheuttamana.

Kompakti kuutiorakenne avuksi

Kompaktin kuutiorakenteen (SiC Cube) saavuttamiseksi vaadituilla tehotasoilla suuria virtoja välittävien reittien liitännät on toteutettu kuparisilla kiskoilla ja mekaanisilla välikappaleilla, jotka pitävät piirilevyt yhdessä. Tämä ratkaisu johtaa loisinduktanssien kasvuun, mikä hieman rajoittaa käytettävissä olevia kytkentänopeuksia, mutta toisaalta se pitää PCB-rakenteen yksinkertaisena.

Kuva 4. SiC Cube -rakenteen yksityiskohdat virtaa kuljettavista kuparikiskoista ja mekaanisista välikappaleista.

Isoja keloja ja kondensaattoreita sisältävillä piirilevyillä (kuva 5) on samanlaiset virran ja jännitteen mittauspiirit. Virrat mitataan Hall-antureilla ja jännitteet differentiaalisesti käyttäen eristettyä operaatiovahvistinta TLP7820. Sen tulopuolella käytetään sigma-delta-tyyppistä AD-muunninta ledin ohjaamiseen.

Tuloksena saatava optinen signaali syötetään vahvistimeen 1-bittisen AD-muuntimen ja alipäästösuotimen kautta. Tämä lähestymistapa tarjoaa suuren vahvistustarkkuuden (± 0,5 %), pienen vahvistusryöminnän (0,00012 V/°C) ja alhaisen epälineaarisuuden (0,02 % kun VIN = ± 200 mV). TLP7820-piiri täyttää sekä UL/cUL- että VDE/CQC-normien vaatimukset.

Kuva 5. Sekä kela- että kondensaattorilevyillä on samanlaiset mittauspiirit virroille ja jännitteille.

Silta-, kela- ja kondensaattorikorttien yläpuolelle sijoitetulla ohjainkortilla on TXZ+ Arm Cortex-M4F -tyyppinen mikro-ohjain. Erityisesti digitaaliseen tehonsäätöön soveltuvan tästä ohjainpiiristä tekevät sen pulssinleveysmodulaatiota hyödyntävät PWM-lohkot, jotka sisältävät komplementaarisen kolmivaihelähdön, jossa on myös kuolleen ajan säätömahdollisuus. Lisäksi ohjain voidaan synkronoida sirulle integroitujen 12-bittisten AD-muuntimien tekemien analogisten mittausten kanssa. Mukana on myös kolme operaatiovahvistinta, joiden vahvistuskerroin on valittavissa.

Mikro-ohjaimessa on lisäksi Vector Engine -lohko, joka helpottaa ja nopeuttaa monimutkaisia matemaattisia operaatioita kuten sini- ja kosinifunktioita mutta myös Clarke- ja Park-muunnoksia. Tämä on hyödyllistä esimerkiksi PFC-korjainten ja moottori-invertterien sovelluksissa.

Parantaa tehotiheyttä ja uudelleenkäyttöä

Viimeisintä SiC MOSFET -tekniikkaa hyödyntäen tämä kompakti kuutiomainen PFC-rakenne kykenee tuottamaan 22 kilowattia tehokertoimella 0,99 ja jopa 99 prosentin hyötysuhteella. Moduulin mitat ovat 140 x 140 x 210 mm, mikä tarkoittaa tehotiheyttä 3 kW/dm3.

Modulaarisuuden ansiosta siltahaara-, kondensaattori-, kela- ja mikro-ohjainkortteja voidaan helposti kokeilla muissa muunninsovelluksissa. Uusille WBG-puolijohderatkaisujen kehitystiimeille rakenne antaa mahdollisuuden tutkia myös SiC MOSFETien entistä parempaa kestävyyttä, alhaisempaa RDS(ON)-arvoa koko käyttölämpötila-alueella sekä korkeampaa kytkentätaajuutta. Nämä ovat edelleen monille suunnittelijoille aivan uutta tekniikkaa.

 

 

Viite

[1] https://www.statista.com/outlook/mmo/electric-vehicles/worldwide

MORE NEWS

Jättirahoitus GenAI-softakehitykseen

Business Finland on myöntänyt Jyväskylän yliopistolle merkittävän, 840 000 euron rahoituksen tutkimushankkeelle, jonka tavoitteena on tutkia generatiivisen tekoälyn (GenAI) hyödyntämistä ohjelmistokehityksen eri vaiheissa. Hanke kantaa nimeä Generative AI for the Software Development Life Cycle, ja sen kokonaisbudjetti Jyväskylän yliopiston osalta on 1,2 miljoonaa euroa, josta 30 prosenttia katetaan yliopiston omarahoituksella.

Raidejokerin lähestymisestä varoitetaan sanallisesti

Helsingin kaupungin innovaatioyhtiö Forum Virium Helsinki on käynnistänyt vuoden mittaisen pilottikokeilun, jossa testataan uudenlaista varoitusjärjestelmää Viikin pikaraitiotien ylityspaikalla. Järjestelmä varoittaa jalankulkijoita ja pyöräilijöitä sekä äänimerkein että sanallisesti lähestyvästä raidejokerin junasta.

Ensimmäistä kertaa grafiikka- ja AI-laskenta samalla RISC-V-prosessorilla

Imagination Technologies on esitellyt uuden E-Series-arkkitehtuurin, joka yhdistää grafiikka- ja tekoälylaskennan ensimmäistä kertaa samaan RISC-V-prosessoriin pohjautuvaan IP-lohkoon. Uutuus avaa tietä tehokkaammille, joustavammille ja energiaa säästäville reunalaitteille – älypuhelimista robottiautoihin.

Aurinkokennokalvo voi tehdä rakennuksista sähköntuottajia

Rakennusten ikkunat ja julkisivut voivat tulevaisuudessa toimia sähköntuottajina, kiitos Luulajan teknillisen yliopiston tutkimukselle. Uudenlainen ohut aurinkokennokalvo yhdistää sähköntuotannon, ympäristöystävällisyyden ja läpinäkyvyyden – ilman kompromisseja rakennusten estetiikassa tai luonnonvalon hyödyntämisessä.

Kenelle Samsungin veitsenterävä uutuus on tarkoitettu?

Samsungin odotettu Galaxy S25 Edge on virallisesti julkaistu, ja 5,8 millimetrin paksuisena se ottaa haltuunsa tittelin "maailman ohuimpana täysiverisenä älypuhelimena". Kyse on hienosta insinööritaidon näytöstä: titaanirunko, keraaminen lasi ja huipputason kamera- sekä tekoälyominaisuudet on mahdutettu hämmästyttävän solakkaan koteloon.

Selain on yritysten tietoturvan sokea piste

Yritykset nojaavat yhä enemmän verkkoselaimiin päivittäisessä työssään, mutta samalla altistuvat vakaville tietoturvauhille. NordLayerin kyberturva-asiantuntijan mukaan perinteiset selaimet muodostavat tietoturvan sokean pisteen, jota on vaikea valvoa ja suojata – erityisesti pienemmissä organisaatioissa, sanoo NordLayerin asiantuntija Edvinas Buinovskis.

FakeUpdates vaikutti 6 prosentissa organisaatioita

Tietoturvayritys Check Point Software Technologies on julkaissut huhtikuun 2025 haittaohjelmakatsauksensa. Raportin mukaan FakeUpdates jatkoi maailman yleisimpänä haittaohjelmana, vaikuttaen 6 prosenttiin organisaatioista maailmanlaajuisesti. Suomessa sen esiintyvyys oli 4,02 prosenttia.

Yksi ainoa molekyyli parantaa kennon suorituskykyä 0,6 prosenttia – ja sillä on merkitystä

Uusi kansainvälinen tutkimus osoittaa, että synteettinen molekyyli nimeltä CPMAC voi merkittävästi parantaa perovskiittipohjaisten aurinkokennojen tehokkuutta ja käyttöikää. Vaikka hyötysuhde parani vain 0,6 prosenttia, sillä on todellista merkitystä: suuressa mittakaavassa, kuten yhden gigawatin aurinkovoimalassa, se voi tuottaa tarpeeksi lisäenergiaa jopa 5000 kotitaloudelle.

Intel katkaisee linkin grafiikan ja CPU:n väliltä

Intel on virallisesti lopettanut Deep Link -teknologiansa kehityksen ja tuen, lopettaen näin kunnianhimoisen yrityksen yhdistää prosessorin ja näytönohjaimen voimat tiiviimmäksi kokonaisuudeksi.

Autojen tutkapiiri kutistui, teho kasvoi kaksinkertaiseksi

NXP Semiconductors on julkaissut uuden sukupolven tutkapiirin, joka mullistaa autonomisten ajoneuvojen tutkajärjestelmät. Uusi S32R47-imaging-tutkaprosessori tarjoaa jopa kaksinkertaisen suorituskyvyn edeltäjäänsä verrattuna ja mahtuu silti 38 prosenttia pienempään fyysiseen tilaan.

Vuoden lopulla jo 240 watin USB-lataus suoraan pistokkeesta

Pistorasiaan integroitava USB-lataus on siirtymässä täysin uudelle aikakaudelle. Brittiläinen tehoelektroniikkayritys Pulsiv on kehittänyt ensimmäisen valmiin ratkaisun, joka mahdollistaa jopa 240 watin USB-C-latauksen suoraan tavallisesta seinäpistokkeesta. Kyseessä on merkittävä tekninen läpimurto, joka voi muuttaa tapaa, jolla kannettavat tietokoneet, älypuhelimet ja jopa pienet kodinkoneet tai sähkötyökalut ladataan kotona ja työpaikoilla.

Omdia: Puolijohteet uuteen ennätykseen

Vuosi 2024 oli puolijohdeteollisuudelle historiallinen, sillä alan liikevaihto nousi Omdian mukaan 25 prosenttia edellisvuodesta ja ylsi ennätykselliseen 683 miljardiin dollariin. Kasvun moottorina toimi erityisesti tekoälyyn liittyvä kysyntä, joka nosti muistipiirien myynnin huikeaan 74 prosentin kasvuun.

Uusi standardi parantaa Bluetoothin tietoturvaa

Bluetooth-teknologia on saanut merkittävän päivityksen, joka parantaa käyttäjien yksityisyyttä ja laitteiden virrankulutusta. Bluetooth Special Interest Group (SIG) on julkaissut uuden Bluetooth Core Specification 6.1 -version, jossa keskeisenä uutuutena on satunnaistettu laiteosoitteiden päivitys – askel kohti vaikeammin jäljitettävää langatonta viestintää.

Tesla kiertää työsaartoa Ruotsissa suomalaisyrityksen kautta

Tesla on ajautunut erikoiseen selkkaukseen Ruotsin ay-liikkeen kanssa, ja yhtiö on nyt ryhtynyt kiertämään työtaistelutoimia suomalaislähtöisen yrityksen avulla. Kyseessä on ahvenanmaalainen ACS-konserni (Automation & Charger Solar), joka on aloittanut Teslan superlatureiden asennukset Ruotsissa kesken laajaa ay-liikkeen tukemaa saartoa.

Tehoelektroniikan PCIM oli suurempi kuin koskaan aikaisemmin

Nürnbergissä tällä viikolla järjestetty PCIM Expo & Conference 2025 ylitti odotukset niin laajuudeltaan kuin sisällöltään. Tapahtuma kasvoi tänä vuonna kuuteen näyttelyhalliin ja kattoi yhteensä 41 500 neliömetriä – enemmän kuin koskaan aiemmin. Näyttely houkutteli paikalle 685 näytteilleasettajaa ja noin 16 500 kävijää eri puolilta maailmaa.

Tuki uudelle USB4:lle laajenee

Testaus- ja simulaatiojärjestelmistään tunnettu Keysight Technologies on julkaissut päivitetyn version System Designer for USB -työkalustaan. Uusin versio tukee nyt USB4 v2-standardia, mikä mahdollistaa uusimpien USB-teknologioiden hyödyntämisen jo suunnitteluvaiheessa.

Python jyrää: Suosio ennätyslukemissa

Python ei ole vain suosituin ohjelmointikieli maailmassa – se on nyt suositumpi kuin yksikään kieli yli 20 vuoteen. Samalla kieli kehittyy entisestään, sillä toukokuussa julkaistu Python 3.14 -beta tuo mukanaan nipun merkittäviä uudistuksia, jotka tekevät kielen käytöstä entistäkin miellyttävämpää ja tehokkaampaa.

RedCap vie IoT:n todelliseen 5G-aikaan

5G RedCap -teknologia on suunniteltu kuromaan umpeen kuilua energiatehokkaiden ja erittäin nopeiden verkkojen välillä, avaten tien uuden sukupolven IoT-laitteille. Tutustu, miten tämä teknologia mullistaa 5G-ekosysteemin ja vie IoT-sovellukset täysin uudelle tasolle.

Infineon sai vihreää valoa Dresdenin uudelle tehtaalle

Infineon Technologies on saanut Saksan liittovaltion talousministeriöltä lopullisen rahoituspäätöksen uuden, huipputeknologiaan keskittyvän puolijohdetehtaan rakentamiseksi Dresdeniin. Yritys investoi Smart Power Fab -nimiseen tuotantolaitokseen yli viisi miljardia euroa omia varojaan. Hanke tuo arviolta 1000 uutta työpaikkaa alueelle.

Nokian uusi kuituratkaisu korvaa kuparikaapelit

Nokia on julkistanut uuden Aurelis Optical LAN -ratkaisunsa, joka tarjoaa yrityksille kehittyneen ja pitkäikäisen vaihtoehdon perinteisille kuparipohjaisille lähiverkoille. Uusi kuitutekniikka vähentää merkittävästi kaapelointia ja energiankulutusta, tarjoten samalla huippunopeaa ja luotettavaa verkkoyhteyttä tulevaisuuden tarpeisiin.

RedCap vie IoT:n todelliseen 5G-aikaan

5G RedCap -teknologia on suunniteltu kuromaan umpeen kuilua energiatehokkaiden ja erittäin nopeiden verkkojen välillä, avaten tien uuden sukupolven IoT-laitteille. Tutustu, miten tämä teknologia mullistaa 5G-ekosysteemin ja vie IoT-sovellukset täysin uudelle tasolle.

Lue lisää...

Selain on yritysten tietoturvan sokea piste

Yritykset nojaavat yhä enemmän verkkoselaimiin päivittäisessä työssään, mutta samalla altistuvat vakaville tietoturvauhille. NordLayerin kyberturva-asiantuntijan mukaan perinteiset selaimet muodostavat tietoturvan sokean pisteen, jota on vaikea valvoa ja suojata – erityisesti pienemmissä organisaatioissa, sanoo NordLayerin asiantuntija Edvinas Buinovskis.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
 
R&S -seminaari: 6G
Oulussa 13.5.2025 (rekisteröidy)
Espoossa 14.5.2025 (rekisteröidy)
 
R&S -seminaari: Calibration
Tampereella 22.5.2025 (rekisteröidy)
 
R&S -seminaari: Aerospace & Defence Testing
Tampereella 5.6.2025. Tiedustelut asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 
 
article