logotypen
 
 

IN FOCUS

IP suojaan ulkoiseen muistiin

Monet markkinoilla olevat mikro-ohjaimet tarjoavat tallennuskapasiteettia muutamien megatavujen verran, mikä vaikuttaa merkittävästi tuotteen hintaan. Sopiva vaihtoehtoinen ratkaisu on käyttää ulkoista muistia, jota voidaan hankkia suuremmissa määrissä selvästi edullisempaan hintaan ja useilla eri kapasiteettivaihtoehdoilla – yleensä muutamasta megatavusta satoihin megatavuihin.

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

PDF:stä tuli suosittu tapa hyökätä sähköpostiin

Kyberrikolliset ovat löytäneet uuden, tehokkaan keinon kiertää tietoturvasuojaukset: PDF-tiedostot. Check Point Researchin tuoreen tutkimuksen mukaan jo 22 % haitallisista sähköpostiliitteistä on PDF-muodossa. Samalla 68 % kyberhyökkäyksistä alkaa edelleen sähköpostista, mikä tekee PDF:stä entistä houkuttelevamman hyökkäysvälineen.

Uuden sirun avulla kännykkä voi tietää sijaintinsa sentin tarkkuudella

Nykyisten GPS-järjestelmien tarkkuus on vain muutamia metrejä, mutta uusi teknologia voi viedä paikannuksen tarkkuuden senttimetriluokkaan. Purdue Universityn ja Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet sirupohjaisen aaltokampatekniikan, joka voi mullistaa navigoinnin, autonomiset ajoneuvot ja tarkat mittausjärjestelmät.

Uusi salaus suojaa jo tämän päivän kuituyhteyksiä kvanttikoneilta

Kvanttitietokoneiden uhka nykyiselle tietoturvalle on herättänyt huolta laajasti: tulevaisuudessa ne voivat murtaa laajasti käytössä olevat salausmenetelmät. Nyt Karlsruhen teknillisen instituutin (KIT) tutkijat ovat kehittäneet ratkaisun, joka tuo kvanttiturvallisen salauksen jo olemassa oleviin kuituyhteyksiin – ilman kalliita erikoislaitteita.

Tekoäly alkaa valvoa Pohjoismaihin tulevaa dataa

Tiedon valtaväylistä Pohjoismaissa vastaava GlobalConnect ottaa käyttöön kehittyneen tekoälypohjaisen valvontajärjestelmän. Yhtiö investoi ScienceLogicin alustan käyttöönottoon, jonka avulla voidaan reaaliaikaisesti seurata verkon toimintaa ja ratkaista ongelmia ennen kuin ne ehtivät vaikuttaa käyttäjiin.

Uusi fotonipiiri kiihdyttää tekoälyn prosessoinnin huippunopeuteen

Amerikkalainen teknologia-alan yritys Lightmatter on julkaissut uudenlaisen fotoniikkaan perustuvan superpiirin, joka lupaa mullistaa tekoälyn infrastruktuurin. Passage M1000 -niminen piiri mahdollistaa ennennäkemättömän nopean tiedonsiirron tekoälylaskennassa, avaten tien entistä suuremmille ja tehokkaammille AI-malleille.

Trumpin politiikka voi nostaa seuraavan iPhonen hintaa jopa 40 prosenttia

USA Todayn mukaan Applen iPhonet saattavat kallistua jopa 43 prosenttia Yhdysvaltain presidentin Donald Trumpin uusien tullien seurauksena. Trump ilmoitti keskiviikkona laajasta uudesta tullisuunnitelmasta, jonka tavoitteena on vauhdittaa yhdysvaltalaista tuotantoa. Tämä sisältää 34 prosentin lisätullit Kiinasta tuotaville tuotteille, mikä nostaa kokonaistullin 54 prosenttiin – korkeimmaksi Yhdysvaltain historiassa Kiinaa kohtaan.

Tänä vuonna jo joka viides uusi auto kulkee sähköllä

Sähköautojen suosio jatkaa kasvuaan haasteista ja epäilyksistä huolimatta. Uusimpien tilastojen mukaan vuonna 2025 jo 18 % maailmanlaajuisista autokaupoista kohdistuu sähköautoihin – kolme kertaa enemmän kuin viisi vuotta sitten.

Microsoft lähti liikkeelle 50 vuotta sitten BASIC-tulkista

Microsoft juhlii tänä vuonna 50-vuotista taivaltaan, ja juhlan kunniaksi yhtiön perustaja Bill Gates julkaisi alkuperäisen ohjelmakoodin, joka käynnisti koko teknologiayrityksen – Altair BASIC -tulkin. Gatesin mukaan kyseessä on "siistein koodi, jonka olen koskaan kirjoittanut".

Rohde lisäsi tehoa EMC-mittauksiin

Rohde & Schwarz on julkaissut päivitetyn version ELEKTRA-ohjelmistostaan, joka tuo lisää tehoa ja automaatiota EMC-mittauksiin. Uusi ohjelmistoversio tukee kaikkia ajankohtaisia EMC-standardeja eri toimialoilla – mukaan lukien kaupallinen elektroniikka, autoteollisuus, langattomat järjestelmät, puolustus ja ilmailu.

Tekoäly vaikuttaa lähes joka toiseen työpaikkaan

Tekoäly on nopeasti nousemassa maailman talouksien uudeksi moottoriksi – ja murroksen keskiössä ovat työmarkkinat. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestön (UNCTAD) tuoreen Technology and Innovation Report 2025 -julkaisun mukaan jopa 40 prosenttia maailman työpaikoista on alttiina tekoälyn vaikutuksille. Se voi tarkoittaa joko työn automatisointia tai sitä, että työtehtävät muuttuvat perustavalla tavalla.

Tamperelaissiru purkaa useampia audiovirtoja kuin mikään muu prosessori

Tamperelainen VLSI Solution on julkaissut uuden sukupolven audioprosessorin, joka asettaa uudet standardit äänenkäsittelylle sulautetuissa järjestelmissä. VS1073-uutuuspiiri pystyy purkamaan ja käsittelemään enemmän äänenpakkausmuotoja kuin mikään muu prosessori markkinoilla – mukaan lukien uudet tuetut formaatit kuten ALAC, DSD, Opus ja AC-3.

Uusi LUMI-supertietokone yllättää: kylkeen tulee kvanttitietokone

Suomeen rakennetaan maailman tehokkainta tekoälysupertietokonetta, ja sen rinnalle kehitetään nyt myös täysin uusi kvanttilaskenta-alusta. LUMI AI Factory -hankkeen johtaja Pekka Manninen vahvistaa, että uusi huippuluokan laskentaympäristö käynnistyy keväällä 2027.

Samsungin uusin tuo tekoälyn jäässä oleville tablettimarkkinoille

Tablettimarkkinat hakevat suuntaa, mutta Samsung uskoo tekoälyyn. Yhtiö julkaisi 2. huhtikuuta uuden Galaxy Tab S10 FE -sarjan, joka tuo älykkäät ominaisuudet yhä useamman käyttäjän ulottuville. Vaikka markkina kokonaisuudessaan junnaa lähes paikallaan, Samsung pyrkii herättelemään sitä AI-pohjaisella tuottavuudella ja kevyellä muotoilulla.

Trumpin tullit aiheuttavat suurta epävarmuutta puolijohdealalla

Yhdysvaltain presidentti Donald Trump on ilmoittanut uusista tullipolitiikoista, jotka uhkaavat horjuttaa puolijohdeteollisuuden globaaleja toimitusketjuja. Trumpin hallinto on määrännyt 10 prosentin perustullin kaikkiin tuontituotteisiin ja jopa 32 prosentin tullit valikoiduille maille, kuten Taiwanille. Vaikka Taiwanin puolijohteet ovat toistaiseksi tullivapaita, alan toimijat elävät epävarmuudessa mahdollisista tulevista muutoksista.

Maailman ensimmäisessä MEMS-kompassissa ei ole liikkuvia osia

Ranskalainen teknologiayritys SBG Systems on esitellyt maailman ensimmäisen MEMS-pohjaisen gyrokompassin, joka kykenee määrittämään suunnan ilman GNSS-apua ja täysin ilman liikkuvia osia. Tämä inertianavigoinnin läpimurto avaa uuden luvun tarkassa ja kompaktissa paikannuksessa, erityisesti merenkulun ja robotiikan sovelluksissa.

Cadence demosi eurooppalaisvoimin kehitettyä ajoneuvojen SoC-piiriä

Euroopassa pitäisi vähentää riippuvuutta sekä kiinalaisesta että amerikkalaisesta tekniikasta. Muutaman viikon takaisilla Nürnbergin Embedded World -messuilla nähtiinkin tähän suuntaan kasvavia versoja. Esimerkiksi Cadence ja saksalainen Dream Chip Technologies esittelivät uuden sukupolven älykkään SoC-järjestelmäpiirin ajoneuvosovelluksiin.

LUMI-tekoälytehdas on yksi ensimmäisiä Euroopassa

LUMI-tekoälytehdas avaa uuden luvun eurooppalaisessa tekoälyn kehityksessä yhdistämällä huipputeknologian, asiantuntijuuden ja yhteistyön ainutlaatuiseksi kokonaisuudeksi. Tekoälyhubin fyysiset tilat sijoittuvat Espoon Otaniemeen Aalto-yliopiston yhteyteen, ja laskennan ydin toimii Kajaanissa, missä nykyinen LUMI-supertietokone tarjoaa maailmanluokan suorituskykyä tekoälykehitykselle.

Jyväskylän ylioppilaskylään maailman nopein opiskelijanetti

Kotimainen valokuituyhtiö Lounea toteutti Jyväskylän yliopiston ylioppilaskunnan Soihtu-asuntoihin huippumodernit nettiyhteydet. Opiskelijakylä nousi kerralla maailman kärkeen tarjoamalla asukkailleen poikkeuksellisen nopeat verkkoyhteydet. 

Painetun elektroniikan tutkija TactoTekin teknologiajohtajaksi

Oululaistaustainen elektroniikkayhtiö TactoTek on nimittänyt tekniikan tohtori Pälvi Apilon uudeksi teknologiajohtajakseen. Apilo on ollut osa TactoTekin asiantuntijatiimiä vuodesta 2018 ja toiminut viimeksi yhtiön ennakoinnin ja tutkimuksen johtajana.

Linuxista tulee parempi pelaajille

Linux-kernelin tuore 6.14-päivitys lupaa merkittäviä suorituskykyparannuksia Windows-pelejä pelaaville Linux-käyttäjille. Ytimeen on tuotu parannettu NTsync-ajuri, jonka ansiosta Wine- ja Proton-yhteensopivuuskerrosten kautta ajettavat pelit voivat hyötyä jopa satojen prosenttien teholisästä tietyissä tilanteissa.

Maksupäätteen kosketusnäyttö vaatii vahvan tietoturvan

Kosketusnäyttö on olennainen osa jokaista nykyaikaista maksujärjestelmää ja myyntipisteen POS-päätettä (point of sale terminal). Sen tietoturvaan on kiinnitettävä erityistä huomiota.

Lue lisää...

Tekoäly vaikuttaa lähes joka toiseen työpaikkaan

Tekoäly on nopeasti nousemassa maailman talouksien uudeksi moottoriksi – ja murroksen keskiössä ovat työmarkkinat. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestön (UNCTAD) tuoreen Technology and Innovation Report 2025 -julkaisun mukaan jopa 40 prosenttia maailman työpaikoista on alttiina tekoälyn vaikutuksille. Se voi tarkoittaa joko työn automatisointia tai sitä, että työtehtävät muuttuvat perustavalla tavalla.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
 
 R&S -seminaari: 5G Advanced & Beyond
Oulussa 13.5.2025
Espoossa 14.5.2025
 
R&S -seminaari: Calibration
Tampereella 22.5.2025

Seminaareihin ilmoittautuminen ja tiedustelut:
asiakaspalvelu@rohde&schwarz
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

ETNinsta

THIS SPACE TEMPORARILY LEFT BLANK
 
article