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

Suomalaisyritys tuo yrityksille oman tekoälyn

Suomalainen konsulttitalo Y4 Works on lanseerannut uuden tekoälyratkaisun, Suunta.ai:n, joka tuo organisaatioille niiden oman, asiantuntijamaisen tekoälyn. Toisin kuin yleiset kielimallit, kuten ChatGPT, Suunta.ai oppii yrityksen omasta datasta, haastaa käyttäjäänsä ja toimii kuin digitaalinen liiketoimintakonsultti.

Piikarbidi vähentää tehohäviöitä datakeskuksessa

ON Semiconductor on julkaissut uuden sukupolven tehomoduulin, joka lupaa merkittävästi pienempiä tehohäviöitä ja energiatehokkaampaa käyttöä erityisesti datakeskuksissa ja teollisuussovelluksissa.

Boreo ostaa Elfa Distrelecin Suomen ja Baltian toiminnot

Boreo Oyj on allekirjoittanut sopimuksen Elfa Distrelecin myyntitoimintojen ostamisesta Suomessa, Latviassa, Virossa ja Liettuassa. Kaupan myötä Elfa siirtyy näissä samaan yritysryhmään kuin Yleiselektroniikan toiminnot. Kauppahinnaksi ilmoitetaan 5,5 miljoonaa euroa.

Ruotsalaistutkijoiden vahvistin nostaa kuidun kapasiteetin 10-kertaiseksi

Göteborgilaisen Chalmersin teknillisen korkeakoulun tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen optisen vahvistimen, joka voi moninkertaistaa kuituverkkojen tiedonsiirtokyvyn. Uusi vahvistin mahdollistaa jopa kymmenen kertaa enemmän dataa sekunnissa verrattuna nykyisiin teknologioihin.

Google siirtää sovelluskehityksen selaimeen – tekoäly isossa roolissa

Google esitteli Cloud Next -tapahtumassaan uuden sukupolven sovelluskehitysalustan, Firebase Studion, joka siirtää koko kehitysprosessin selaimeen – suunnittelusta julkaisuun. Uutuus rakentuu vahvasti tekoälyavusteisuuden ympärille ja hyödyntää Googlen omaa Gemini-mallia läpi koko kehityksen.

Trumpin tullit iskevät rankasti suuriin amerikkalaisiin autonvalmistajiin

Yhdysvallat asetti viime viikolla 25 prosentin tuontitullit useista maista tuotaville autoille ja varaosille. Presidentti Trumpin hallinnon ilmoittamat laajat tuontitullit ovat tuomassa autoalalle uudenlaisia haasteita. Vaikka toimenpiteet on nimellisesti suunnattu vahvistamaan kotimaista teollisuutta, tuoreen analyysin mukaan myös Yhdysvaltain omat jättivalmistajat – General Motors, Ford ja Stellantis – ovat merkittävästi alttiita tullien vaikutuksille.

Nokian ja Telian 5G-viipale kattoi kolme maata

Nokia, Telia ja Puolustusvoimat ovat saavuttaneet maailmanlaajuisesti merkittävän teknologisen virstanpylvään toteuttamalla ensimmäisen saumattoman 5G Standalone -verkkoviipaleen (slice) siirron kolmen eri maan välillä toimivassa verkossa. Kokeilu osoittaa, kuinka 5G-teknologiaa voidaan hyödyntää viranomaisviestinnässä myös kansainvälisesti.

Optinen liitäntä tuotiin ensimmäistä kertaa SSD-levylle

Tallennustekniikan kehityksessä saavutettiin merkittävä virstanpylväs, kun KIOXIA, AIO Core ja Kyocera julkistivat ensimmäisen toimivan SSD-levyn, jossa käytetään optista liitäntää. Uusi prototyyppi yhdistää PCIe 5.0 -väylän ja valoon perstuvan optisen tiedonsiirron, mikä tekee siitä maailman ensimmäisen laatuaan.

Joskus yksittäinen komponentti voi olla vaarallinen takaovi

Yritykset investoivat valtavasti kyberturvallisuuteen suojatakseen verkkojaan ja sovelluksiaan. Silti, kaikista suojaustoimista huolimatta, verkkorikolliset onnistuvat vuosi vuodelta entistä paremmin. Miten tämä on mahdollista, kysyy Lenovon tietoturva-asiantuntija Steven Antoniou?

Trump haluaa nopeuttaa miljardi-investointeja Yhdysvaltain puolijohdeteollisuuteen

Yhdysvaltain presidentti Donald Trump on antanut uuden presidentin asetuksen, jolla perustetaan United States Investment Accelerator -niminen virasto vauhdittamaan miljardiluokan investointeja maahan. Tavoitteena on houkutella sekä kotimaisia että ulkomaisia yrityksiä sijoittamaan erityisesti strategisesti tärkeisiin aloihin, kuten puolijohdeteollisuuteen.

Ethernet aikoo vallata autot

CAN-väylä on hallinnut autoja pitkään, mutta moni uskoo kaistatarpeen vaativan jatkossa Ethernetiä. Tätä silmällä pitäen Infineon on ostanut Marvellin aujoneuvojen Ethernet-liiketoiminnan 2,5 miljardilla dollarilla. Kauppa kattaa Marvellin Brightlane-tuotesarjan ja siihen liittyvät varat, ja sen odotetaan toteutuvan vuoden 2025 aikana.

STMicroelectronics julkisti kevyemmän version MP25-prosessorista

STMicroelectronics on tuonut markkinoille uuden STM32MP23-mikroprosessorisarjan, joka täydentää viime vuonna julkaistua MP25-sarjaa. Uutuusprosessori tarjoaa tehokkaan ja taloudellisen vaihtoehdon teollisuuden ja esineiden internetin (IoT) älykkäisiin reunalaitteisiin, koneoppimiseen ja kehittyneisiin käyttöliittymäratkaisuihin.

Androidin avustin voi muuttua vaaralliseksi takaoveksi

Androidin esteettömyyspalvelu – jonka tarkoitus on auttaa käyttäjiä käyttämään puhelinta paremmin esimerkiksi näkö- tai liikuntarajoitteiden kanssa – voi muuttua tietoturvariskiksi. Tuore Georgia Techin tutkimus esittelee uuden analyysityökalun, DVa:n, joka paljastaa, kuinka haittaohjelmat hyödyntävät tätä avustinta päästäkseen käsiksi käyttäjän tietoihin ja sovelluksiin.

Ruotsalaisinnovaatio mahdollistaa kiinteät litiumakut

Ruotsissa on otettu merkittävä askel kohti turvallisempia ja kestävämpiä akkuja. Luleån teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen materiaalin, joka voi mahdollistaa kiinteiden litiumakkujen eli ns. solid-state-akkujen laajemman käytön esimerkiksi sähköautoissa ja energian varastoinnissa.

Suomalaiset startupit keräsivät 1,4 miljardia euroa

Suomen startup-yritykset keräsivät vuonna 2024 yhteensä 1,4 miljardia euroa sijoituksia, mikä on 56 prosenttia enemmän kuin edellisvuonna, selviää Pääomasijoittajat ry:n tuoreista tilastoista. Kasvua vauhdittivat erityisesti loppuvuoden muutamat suuremmat rahoituskierrokset.

Murtamaton kvanttisalaus ja 33 terabitin linkki samaan kuituun

KDDI Research ja Toshiba Digital Solutions ovat tehneet merkittävän edistysaskeleen kvanttitietoturvan ja korkean kapasiteetin tiedonsiirron yhdistämisessä. Yritykset onnistuivat siirtämään 33,4 terabittiä dataa sekunnissa ja kvanttisalausavaimia yhtä aikaa yhdessä optisessa kuituyhteydessä.

GPS:lle korvaaja: Bosch haluaa kaupallistaa kvanttianturit

Bosch syventää panostustaan kvanttiteknologiaan ja tähtää nyt kvanttianturien kaupalliseen läpimurtoon. Yhtiö perustaa yhdessä synteettisiä timantteja valmistavan Element Sixin kanssa yhteisyrityksen, jonka tavoitteena on tuoda kvanttianturit teolliseen tuotantoon ja käytännön sovelluksiin.

Tuxera tähtää 100 miljoonan euron liikevaihtoon

Suuri yleisö ei tunne suomalaista Tuxeraa, jonka asiakaskunta on varsin nimekäs: joukossa ovat esimerkiksi ABB, LG, NASA, Rockwell, Siemens ja Weka. Uuden toimitusjohta Stefan Schumacherin johdolla viime vuonna 24 miljoonan euron liikevaihdon tehnyt yritys pyrkii kasvamaan sadan miljoonan euron taloksi viiden vuoden kuluessa.

Generatiiviseen tekoälyyn investoidaan 644 miljardia dollaria tänä vuonna

Gartnerin tuoreen ennusteen mukaan maailmanlaajuiset generatiivisen tekoälyn (GenAI) investoinnit nousevat 644 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuonna 2025. Tämä merkitsee 76,4 prosentin kasvua vuoteen 2024 verrattuna.

Vanhoista Windows-koneista tulee romurautaa? Iso mahdollisuus Linuxille

Microsoft muistuttaa käyttäjiä Windows 10 -käyttöjärjestelmän tuen päättymisestä 14. lokakuuta 2025. Tämän jälkeen yli 240 miljoonaa tietokonetta jää ilman tietoturvapäivityksiä, mikä tekee niistä yhtiön mukaan vakavan kyberturvariskin. Microsoftin blogin mukaan jatkaminen vanhentuneella käyttöjärjestelmällä on kuin "jättäisi ulko-oven auki tuntemattomille". Käytännössä koneista tulee lokakuussa romurautaa, jos niille ei tee mitään, Microsoft katsoo.

Galvaaninen erotus on yhä tärkeämmässä roolissa

Teollisuus- ja ajoneuvosovelluksissa siirtyminen kohti kestävämpiä energiaratkaisuja ja tehokkaampia moottoreita tuo mukanaan uudenlaisia vaatimuksia elektroniikkasuunnittelulle. Järjestelmät yhdistävät yhä useammin laajan kaistaeron komponentteihin perustuvat suurjännitealijärjestelmät ja herkät pienjännitepiirit, kuten mikro-ohjaimet. Näiden yhdistäminen samassa kokonaisuudessa lisää sekä suorituskykyä että riskejä – galvaaninen erotus ja häiriösuojaus ovatkin nyt tärkeämpiä kuin koskaan, sanoo Toshiba Electronics Europe.

Lue lisää...

Joskus yksittäinen komponentti voi olla vaarallinen takaovi

Yritykset investoivat valtavasti kyberturvallisuuteen suojatakseen verkkojaan ja sovelluksiaan. Silti, kaikista suojaustoimista huolimatta, verkkorikolliset onnistuvat vuosi vuodelta entistä paremmin. Miten tämä on mahdollista, kysyy Lenovon tietoturva-asiantuntija Steven Antoniou?

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