magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

ebvAz ipar fejlődése mindenkor a termelés hatékonyságának automatizálására szolgáló módszerek keresésén alapult. Viszonylag rövid idő alatt hosszú utat tett meg az ipar: alig néhány évtizeddel ezelőtt a vezérlőrendszerek nagy terjedelmű, megbízhatatlan és összetett relélogikára támaszkodtak. Később, a mikrokontrollerek megjelenésével ezeket a terjedelmes rendszereket sokkal kisebb, gyorsabb és rugalmasabb programozható logikai vezérlők (PLC) váltották fel. A gyakori hibák és az alacsony termelékenységi mutatók hamar a múlté lettek.

 

Manapság a nagy teljesítményű és olcsó mikroprocesszorok megjelenésével az „edge computing” már a gyártósorokat is elérte, újradefiniálják az ipari automatizálás koncepcióját, és új, az adatok elérhetőségén és online szolgáltatásokon alapuló üzleti modelleket vezetnek be.
Másrészt a termelést a kereslet vezérli, és az emberek már régóta nem elégednek meg azzal, hogy több éven keresztül ugyanazt a terméket vásárolják: a mai piac dinamikája megköveteli, hogy a termelés lépést tartson a kereslettel. Az ipar jövője már nem egy hatalmas ipari komplexum valahol a Távol-Keleten, amely évekig gyártja ugyanazon terméket nagy tételben, hosszú szállítási idővel, és nem képes eleget tenni a rendkívül dinamikus piaci igényeknek. A jövő a rugalmas, moduláris és nagymértékben autonóm gyártósor, amely testreszabott termékeket kínál kis tételben, rövid szállítási határidőkkel.
Az Ipar 4.0 modern ipari automatizálási koncepciója rendkívül autonóm és hatékony gyártási modulokat rejt magában, amelyek gyorsan konfigurálhatók, és a követelményeknek megfelelően bármikor újra összeállíthatók. Amíg a hálózati kihívásokkal egy külön IEEE 802.1 TSN-szabványosítási csoport foglalkozik, addig a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) alapú új félvezető-technológiák alkalmazásával jelentősen javul az energiahatékonyság. A harmadik lényegi kérdés a hálózatok biztonsága, hogyan védjük meg a rendszereket a kibertámadásoktól. Erről a témakörről részletesen is olvashat az „IoT: hogyan védekezzünk a kiberbűnözők ellen?” című cikkben.

 

A TSN-technológia

Az időérzékeny hálózati átvitel (TSN – Time Sensitive Networking) az Ipar 4.0 által vezérelt trend a megbízható, determinisztikus és összehangolt hálózatépítéshez. Az információs és az operatív technológiák közötti határok elmosódása révén a TSN megalapozza a modern ipari technológiák, a tárgyak ipari internete (IIoT) megvalósításának alapjait, ezáltal képviselve a legújabb negyedik ipari forradalom gerincét.
Az Ipar 4.0 bevezette az intelligens és rugalmas hálózati gyártás fogalmát, kombinálva azzal a képességgel, hogy a hálózati szolgáltatásokat és a felhőalapú technológiákat mint az IoT-t (valamint az IIoT-t) minden termelési szinten használhatja.
A gyártás és a vállalati szint közötti folyamatos, valósidejű adatcserével új lehetőségeket teremt az ipari automatizálásban, például a leállások megelőzését a prediktív karbantartás, a termelékenység optimalizálása és a készletgazdálkodás révén.
A hálózati követelmények azonban a termelési létesítmények különböző szintjein nem azonosak. Egy hagyományos gyárban termelési szintű hálózatokat használnak a terepi berendezések közötti adatcserére az Ethernet szabvány zárt, gyártóspecifikus megvalósításán keresztül (EtherNet / IP, PROFINET, EtherCAT…), speciális átjárók segítségével kapcsolódva a vállalati szintű hálózathoz. Ez azonban megnöveli a hálózati infrastruktúra bonyolultságát és a kapcsolódó költségeket, miközben csökkenti a rugalmasságot és az átjárhatóságot.
A különféle alkalmazások valósidejű hálózati igényeinek kielégítésére az IEEE szervezet létrehozott egy dedikált TSN-munkacsoportot (TG), amely elsősorban a determinizmusra és a valósidejű képességekre összpontosít az Ethernet-en keresztül (azaz garantált csomagszállítás korlátozott késleltetéssel, alacsony zajjal, torlódási veszteség nélkül). A TSN TG eddig sok különböző mechanizmust tett már közzé, míg néhányuk fejlesztés alatt áll. Az egyik legfontosabb megemlítendő az IEEE 802.1AS időszinkronizációs mechanizmus, amely időtudatosságot teremt az Ethernet számára. Az időtudatosság lehetővé teszi más mechanizmusok, például az IEEE 802.1Qbv Time-Aware Scheduler (TAS) számára, hogy korlátozott, alacsony késleltetési időt érjen el időzített forgalmi kapuk (QoS szintenként egy) és a 802.1Qbu Frame Preemption használatával a link elérhetőségének érdekében a magasabb prioritású keretek számára. A TSN azonban nem határozza meg, hogy mely kiterjesztéseket kell használni egy adott alkalmazáshoz. Ebben a tekintetben egy másik szabványosítási csoport (IEC / IEEE 60802) dolgozik az ipari automatizálás TSN profilján (TSN-IA profil). Az IEC / IEEE 60802 profil a legmegfelelőbb eszközöket fogja tartalmazni a TSN-eszközkészletből, amely ahhoz szükséges, hogy egy erősen átjárható TSN az ipari automatizálás szegmensében megvalósuljon. Noha az IEC / IEEE 60802 szabvány közzététele nem várható hivatalosan 2022 előtt, a tervezete már elérhető. Ezenkívül számos demó, alkalmazási példa és esettanulmány már bizonyítja a TSN egységes és összehangolt ipari hálózat alapjául történő felhasználásának többszörös előnyeit, és azt, hogy lehetővé teszi a modern ipari automatizálási koncepciók kialakítását.

 

WBG (Wide-Bandgap) félvezetők ipari alkalmazásokban

Az energiahatékonyság fontos téma az ipari alkalmazások tervezésekor. Egy tipikus gyártóüzem hatalmas villamosenergia-fogyasztó lehet. Elektromos gépek és berendezések néhány százalékos hatásfok különbsége jelentősen hozzájárul a teljes veszteséghez és a gyártási költségekhez, nem beszélve a környezetre gyakorolt negatív hatásokról és a CO2-kibocsátásról. Mivel a szilíciumalapú félvezetőmegoldások elérték teljesítményük maximumát, nagy szükség van néhány alternatív megoldásra az iparág fejlődésének folytatása érdekében.
A Wide-Bandgap (WBG) – széles tiltott sávú technológiával készült – félvezetők már egy ideje fejlesztési szakaszban vannak. A lényegesen magasabb üzemi hőmérsékletekkel (300 °C felső határ szemben a korábbi 150 °C-kal) és a rendkívül hatékony kapcsolási tulajdonságokkal sokkal magasabb frekvenciákon a WBG-félvezetőkkel kisebb, gyorsabb és megbízhatóbb berendezések hozhatók létre, előkészítve ezáltal az utat a következő ipari forradalomhoz. A WBG-technológiák áttekintése során elengedhetetlen különbséget tenni a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) technológiák között. Mindkét technológiának megvan az előnye, és természetesen van néhány hátránya. Például a SiC-technológia nagyon magas, akár 1,7 kV (fejlesztés alatt, 3,3 kV) letörési feszültséget tesz lehetővé, a GaN-alapú eszközökkel a nagy elektronmozgékonyságuk miatt viszonylag magas feszültségen (akár 650 V-ig) is könnyen elérhetünk rendkívül nagy kapcsolási frekvenciát. A WBG-k vezérlése azonban bonyolult lehet, és speciális kapumeghajtó IC-ket igényelhetnek.

 

ebv 1

 

A SiC-technológia által nyújtott kiváló termikus tulajdonságok miatt a SiC-alapú MOSFET-eket gyakran alkalmazzák nagyon magas feszültségen és hőmérsékleten működő alkalmazásokban. A SiC-technológia hővezető képessége több mint háromszor nagyobb, mint a hagyományos sziliciumalapú eszközöké, ezáltal sokkal kisebb chipek használhatók ugyanazon a hőmérsékleten, és kompaktabb hűtési megoldások alkalmazhatók. Ezenkívül az energiaátalakító alkalmazásokban a magasabb kapcsolási frekvencia lehetővé teszi az induktivitások, transzformátorok, kondenzátorok méretcsökkentését, ami hasznos lehet a méretkorlátozott alkalmazásokban.
A frekvenciaváltó alkalmazásokban a kapcsolási frekvenciát a meghajtott elektromos gép tervezése korlátozza. Ezért fontolóra kell venni az alkalmazások egyéb rendszerszintű előnyeit is. Bár a frekvenciát és a kapcsolási időket ugyanabban a tartományban kell tartani, mint az IGBT-knél, a SiC-alapú átalakítók akár 50%-kal csökkenthetik a veszteségeket az IGBT-ket alkalmazó megoldásokhoz képest. Ezenkívül a csökkentett kapcsolási veszteségek és a jobb hővezető képesség, valamint a nagyon kompakt hűtési megoldások lehetővé teszik az inverter közvetlen motorra szerelését.
Az integrált inverternél nincs szükség kábelezésre ahhoz, hogy a motort rendkívül dinamikus PWM modulált váltóárammal lássuk el, ami kedvezően hat az EMI sugárzás csökkentésére. Ezek az előnyök a SiC-technológiát ideális megoldássá teszik a szervohajtásokban és a járművekben alkalmazott inverterekben. Amellett, hogy lehetővé válik a kompakt kialakítás és az optimalizált kapcsolási veszteségek révén jelentősen megnő a motormeghajtók életciklusa, a WBG-technológiák általában pozitív hatással vannak az ipari környezetre is, csökkentve mind a kezdeti telepítési költségeket, mind a teljes termékbevezetési költségeket (TCO – Total Cost of Ownership).
Egy másik figyelembe veendő kritikus tényező a WBG-alapú eszközöknél a hatékony meghajtás/vezérlés. Amint fentebb említésre került, a belső szerkezetük miatt vannak bizonyos komplikációk. Például a SiC-kapukat 20 V-ra kell hajtani a teljes kivezérlés eléréséhez, ami megközelíti a tipikus 25 V-os abszolút maximumot. A nagy sebességű tranziensekkel szembeni érzékenység miatt mind a SiC, mind a GaN félvezető eszközöknél előfordulhatnak úgynevezett „fantom” kapcsolások, ezért néhány voltos negatív feszültség szükséges a tökéletes kikapcsoláshoz.
A WBG-technológiák még mindig viszonylag újak. A gyártási folyamatok javulásával és éretté válásával csökkenteni, vagy akár megszüntetni is lehet ezt a néhány hátrányt. Az új típusú WBG-félvezetők már fejlesztés alatt állnak, a cél a negatív kikapcsolási feszültség kiküszöbölése és a teljes kivezérlési feszültség csökkentése, megkönnyítve ezzel a vezérlő áramkörök bonyolultságát.
A piacon azonban már létezik sok speciális meghajtó áramkör, amely sikeresen megoldja ezeket a kérdéseket, lehetővé téve a hibátlan működést és a digitális jelekkel történő vezérlést. Az általuk kínált összes előny mellett alig van ok arra, hogy ne fogadjuk el a WBG-technológiákat mint a teljesítményelektronika jövőjét.

 

ebv 3

Az Eval-M5-E1B1245N-SiC blokkvázlata

 

Infineon CoolSiC MOSFET tápegységkártya 7,5 kW teljesítményű motormeghajtásokhoz

A szilícium-karbid meghatározóvá válhat olyan alkalmazásokban, mint a fotovoltaikus és a szünetmentes tápegységek. Az Infineon Technologies most a WBG-technológiával rendelkező alkalmazások következő csoportját célozza meg: az EVAL-M5-E1B1245N-SiC fejlesztőkártya előkészíti az utat a szilícium-karbid félvezetők számára a motorvezérlésekben. A fejlesztés célja az volt, hogy támogassa az ügyfeleket az ipari meghajtásalkalmazások tervezésében az első lépések során, maximum 7,5 kW motorteljesítményig.
A fejlesztőeszköz tartalmaz egy EasyPACK 1B-et CoolSiC MOSFET-tel (FS45MR12W1M1_B11), egy háromfázisú váltóáramú csatlakozót, EMI-szűrőt, egyenirányítót és egy háromfázisú kimenetet a motor csatlakoztatásához. Ez a megoldás általános hajtásokra, valamint a nagyon magas frekvenciájú szervohajtásokra optimalizált. Az EasyPACK 1B Sixpack 1200 V-os CoolSiC MOSFET-eket tartalmaz, alacsony, 45 mΩ-os bekapcsolási ellenállásértékekkel.

A fenti tények alapján nem nehéz azt a következtetést belátni, hogy a modern ipari automatizálás multidiszciplináris feladat, és több szakterület képviselőit is igényli. Az Ipar 4.0 egyik fő támogatójaként az EBV Elektronik kész segíteni ennek megvalósításában. Csapatunk minden alkalmazási területen szakértőkkel áll a fejlesztők rendelkezésére.

 

The distribution is today. Tomorrow is EBV!


EBV Elektronik Kft.

Gnyálin István
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 3496
E-mail: istvan.gnyalin@ebv.com
www.ebv.com