Поэтому мы должны уделять больше внимания повышению осведомленности общества о наших действиях и поиску способов предотвращения непоправимого ущерба планете, наносимого нашим энергопотреблением. Широкое внедрение возобновляемых источников энергии и электрификация транспортных средств являются двумя основными инициативами, способствующими этому.
В ближайшие годы ожидается десятикратное увеличение потребления электромобилей по сравнению с нынешним уровнем. Например, Европейский союз (ЕС) стремится к тому, чтобы к концу этого десятилетия на его дорогах насчитывалось более 30 миллионов электромобилей. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, значительные инвестиции, которые правительства и частные компании вкладывают в зарядную инфраструктуру, вселяют в общественность большую уверенность в переходе от традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания к электромобилям. В настоящее время на европейском континенте работает около 250 000 зарядных станций, и это число продолжает расти. Две другие ключевые причины, по которым будет расти внедрение электромобилей, — это их больший запас хода и более быстрая зарядка, что обеспечивает большее удобство для пользователя.
Кроме того, не менее важно стремление к повышению эффективности эксплуатации и устранению потерь энергии. Чем больше доля солнечной и ветровой энергии, преобразуемой в электричество, тем эффективнее будут работать эти возобновляемые источники энергии, поэтому необходимо приложить усилия для усовершенствования конструкции используемых инверторов. Электродвигатели и промышленные приводы должны работать с минимальными потерями энергии. Для достижения этой цели потребуются более сложные алгоритмы управления.
Новые вызовы требуют новых тактик.
Требования, предъявляемые сегодня электромобилями, промышленными приводами и возобновляемой энергетикой, требуют непрерывных инноваций в электрических системах. Появление технологии широкозонных полупроводников (WBG) сыграло фундаментальную роль в достижении новых уровней производительности и позволило уменьшить габариты системы (за счет использования более компактных периферийных пассивных компонентов). Например, использование карбида кремния (SiC) вместо кремния (Si) позволило значительно повысить скорость переключения. Следовательно, эффективность преобразования энергии может быть существенно улучшена. SiC MOSFET заменяют громоздкие Si IGBT, и потери при включении и выключении значительно снижены. Преимущества этого можно увидеть в DC/DC преобразователях, используемых в электромобилях и системах возобновляемой энергетики.
Кроме того, более высокая удельная мощность, обеспечиваемая модулями SiC MOSFET, означает, что инверторы для возобновляемой энергетики, промышленные приводы и системы управления двигателями могут быть гораздо более компактными, обеспечивая при этом более эффективную работу. Они способны работать при более высоких температурах, чем их кремниевые аналоги, поэтому необходимо также учитывать преимущества в надежности.
Для достижения необходимых улучшений в долгосрочной перспективе технологические достижения должны повлиять на все аспекты проектирования энергетических систем. Эти достижения будут происходить в используемых полупроводниковых процессах, в разработке аппаратного обеспечения, сопровождающего устройства управления питанием и двигателями, а также в подходе к разработке систем. Инженерам потребуется всесторонняя поддержка для достижения амбициозных целей по повышению эффективности. Оценочные платы помогут им определить параметры устройств, которые они хотят выбрать для своих проектов, а также ускорить процесс прототипирования. Доступ к эталонным проектам может быть бесценен, когда инженеры стремятся заменить свои текущие кремниевые компоненты на более высокопроизводительные альтернативы на основе широкозонных полупроводников.
Роль Toshiba в разработке силовых систем следующего поколения:
Toshiba всегда позиционировала себя как пионер в индустрии силовых полупроводников, и компания продолжает подтверждать свою приверженность этому, осуществляя значительные финансовые инвестиции. Два недавних примера — это объявление весной этого года о расширении производственного предприятия Kaga в Японии, где работает около 1000 человек, для размещения линии по изготовлению 300-мм пластин, наряду с существующей линией для 200-мм пластин. Новая линия будет предназначена для производства передовых дискретных силовых компонентов.
Совсем недавно Toshiba подтвердила создание высоковольтной лаборатории в Европе. Расположенная на территории кампуса в Дюссельдорфе, лаборатория позволит компании расширить свои инженерные возможности для удовлетворения высоких требований к проектированию растущего портфеля высоковольтной продукции. Это означает, что потребности клиентов могут быть удовлетворены быстрее и эффективнее с помощью имеющихся инженеров — посредством моделирования и оценки реальных приложений — для преодоления сложных технических задач и разработки эффективных решений. Лаборатория будет оснащена передовым оборудованием для измерения и анализа мощности и укомплектована опытными инженерами. Планируется, что он начнет работу в октябре этого года, а в течение следующих двух лет будет расширен.
Инновации в продуктах:
Новейшие дополнения к популярному семейству микроконтроллеров M4K от Toshiba, каждый из которых оснащен 32-битным ядром ARM® Cortex®-M4 с блоком обработки чисел с плавающей запятой (FPU), расширяют возможности управления двигателями. Новые устройства TXZ+ используют технологию Advanced Vector Motor Plus (A-VE+), что делает их весьма подходящими для управления переменным током и бесщеточными двигателями постоянного тока (BLDC), а также сервоприводами.
Недавно анонсированный MOSFET TPHR7404PU обеспечивает низкую пиковую мощность, снижая эффекты перерегулирования при переключении. Этот дискретный 40-вольтовый N-канальный силовой компонент использует запатентованную технологию производства U-MOSIX-H от Toshiba. Он исключительно хорошо подходит для вторичного синхронного выпрямления в импульсных источниках питания, обеспечивая значительное снижение электромагнитных помех (EMI).
Рисунок 1: Эталонная трехфазная схема коррекции коэффициента мощности (PFC) от Toshiba, основанная на технологии SiC MOSFET TW070J120B
Эталонная трехфазная схема коррекции коэффициента мощности (PFC) на 400 В переменного тока от Toshiba была разработана для упрощения развертывания инфраструктуры зарядки электромобилей и облегчения перехода от кремниевых аккумуляторных батарей к более эффективным батареям на водной основе (WBG). В ней используются технологии SiC MOSFET TW070J120B и драйвера затвора TLP5214A от Toshiba, а также бесмостовая трехфазная конструкция. Благодаря выходному напряжению 750 В постоянного тока, она полностью соответствует более высоким уровням напряжения, необходимым для зарядки электромобилей. Достигаются показатели эффективности преобразования 97% и коэффициент мощности 0,99.
Благодаря двунаправленной схеме DC/DC от Toshiba, может быть реализована система питания, в которой энергия, накопленная в аккумуляторных батареях, может быть получена из сети в пиковые периоды потребления. В ней также используются компоненты SiC MOSFET TW070J120B и драйвер затвора TLP5214A, а на низковольтной стороне — N-канальный MOSFET на основе кремния TK49N65W5. Данная эталонная конструкция способна выдавать мощность 5 кВт в обоих направлениях. Для обеспечения безопасности предусмотрены механизмы защиты от перегрузки по току и пониженного напряжения.
Благодаря сотрудничеству с производителем оборудования для разработки MikroElektronika, Toshiba может предложить инженерам ряд плат Click™ для создания эффективных систем управления двигателями. DC MOTOR 14 Click — это решение с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для управления коллекторными двигателями постоянного тока с прямым и обратным вращением. В основе этой платы лежит микросхема драйвера TB67H450FNG с максимальным током 3,5 А. Низкоомные MOSFET-транзисторы и ШИМ-управление обеспечивают эффективное управление двигателем с минимальным тепловыделением.
Рисунок 2: Плата Mikroe DC MOTOR 14 Click на основе микросхемы драйвера Toshiba TB67H450FNG
На пути к адаптации потребления электроэнергии к имеющимся ресурсам и построению общества, оказывающего меньшее негативное воздействие на окружающую среду, остается множество препятствий. Однако благодаря постоянному технологическому прогрессу мы можем с оптимизмом смотреть на возможность достижения этой цели.
Автор: Питер Либервирт, вице-президент по маркетингу и операциям компании Toshiba Electronics Europe GmbH.
