Nyitás a villamosítási piacra TMR-alapú integrált áramkörökkel
A LEM a közelmúltban jelentette be új együttműködését a TDK-val a következő generációs alagút mágneses ellenállás (tunnel magnetoresistance – TMR) alapú integrált áramérzékelők fejlesztésére, gyártására. A lépés az áramérzékelő technológiák iránti kereslet gyors növekedését tükrözi, ami viszont nagy mennyiségű és költséghatékony termékeket igényel. Thomas Hargéval, a LEM globális termékmenedzsment alelnökével beszélgettünk, hogy megkérdezzük a változó iparági trendekről, valamint arról, hogy a TDK-val való partnerség hogyan teremthet hozzáadott értéket az ügyfelek számára.
Hogyan hatnak a jelenlegi villamosítási trendek az érzékelési piacra és technológiákra?
Thomas Hargé: A globális szén-dioxid-mentesítés jelentős tényező, mivel a világ országai nem kevesebbe, mint egy villamosítási forradalomba kezdenek. Megállíthatatlanul haladunk a villamosított bolygó felé, és ez számos piacra hatással van.
Mindennek egyik legnagyobb területe természetesen a személygépkocsik villamosítása. A közlekedés nagymértékben hozzájárult a túlzott CO2-kibocsátáshoz, és az előrejelzések szerint a következő öt évben az autóipari igények a teljes jelenlegi érzékelőpiac felét fogják kitenni. Ez a technológiai fejlesztések tekintetében, amelyeket nagyon rövid időn belül kell kifejleszteni, nagy változást jelent.
Thomas Hargé
Hogyan igazította a LEM a termékeit vagy stratégiáit a villamosítási trendhez?
T.H.: A teljesítményelektronika kezdete óta a LEM áramérzékelő technológiákat fejleszt a vasúti, az autóipari és az ipari szektor számára. A vállalat mindig is nagyon szorosan együttműködött az ügyfelekkel és a kulcsfontosságú piacokon belül optimalizálta a meglévő technológiákat és a végfelhasználókkal közösen tervezte meg a megoldásokat.
Legalább az utóbbi évtizedben a LEM alkalmazásspecifikus áramérzékelőket fejlesztett tisztán elektromos (EV) és hibrid elektromos járművekhez (HEV). A piac felgyorsulásával a LEM arra összpontosított, hogy az ügyfelekkel együttműködve javítsa ezeknek az érzékelőknek az inverterekbe, fedélzeti töltőkbe (OBC) – amelyek a váltakozó áramot egyenárammá alakítják a jármű-akkumulátorcsomag töltéséhez – és akkumulátorkezelő rendszerekbe (BMS) történő integrálását.
Kifejtené, hogy a különböző alkalmazásokban milyen különböző műszaki követelmények vonatkoznak az áramérzékelésre, és milyen trendek vannak kialakulóban?
T.H.: A méret mindig fontos tényező, mivel az elektromos járművekben korlátozott a hely. Emellett minden alkatrésznek minimális méretűnek kell lennie ahhoz, hogy a jármű a lehető legkönnyebb legyen az energiafelhasználás minimalizálása és az autók által megtehető távolságok meghosszabbítása érdekében.
Az ügyfélrendszereken belüli jobb integráció gyakran áttörést jelentő félvezetőmegoldásokhoz vezethet, ezért a LEM 2017 óta jelentős összegeket fektetett be a félvezetőfejlesztési képességekbe, hogy integrált áramérzékelőket (ICS – integrated current sensor) fejlesszen ki. Ezek lényegében „áramérzékelők egy chipen”, amelyek lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy kisebb rendszereket építsenek.
Szilíciumkarbid (SiC) vagy gallium-nitrid (GaN) felhasználásával kisebb teljesítményátalakító rendszerek is létrehozhatók. Ezek az új tranzisztorok gyorsabban kapcsolnak, és lehetővé teszik a felhasználók számára a mágneses alkatrészek (azaz a fojtók) méretének csökkentését. Ennek következtében az áramérzékelőknek sokkal gyorsabbnak és intelligensebbnek kell lenniük, mint amire korábban szükség volt, miközben lehetővé teszik a nagyobb frekvenciájú áramok mérését.
Ismét az integráció a kompakt kialakítás kulcsa, így az áramérzékelő funkció egyre kisebb lesz. A szoftverek integrációja is egyre inkább terjed, hogy egyszerűsítsék a működést, további funkciókkal szolgáljanak, és minimalizálják az EV-ben lévő hardver mennyiségét.
Végül, de nem utolsósorban, ugyanolyan fontos az a tény, hogy számos autóipari alkalmazás „biztonságos” árammérést igényel. Ezért fejlesztette ki a LEM az ISO26262 szabványnak megfelelő érzékelőket, amelyek biztonsági szintjei között szerepel a minőségirányítási (QM) és az autóipari biztonsági integritási szint (ASIL) C.
Hogyan tud a LEM az élen járni a különböző alkalmazások változó technikai követelményeinek kielégítésében?
T.H.: A kulcsfontosságú ügyfelekkel való együttműködés és az innovatív megoldások közös kidolgozása létfontosságú ahhoz, hogy a piacon az élen maradjunk, és képesek legyünk kielégíteni a keresletet. Amint azt már korábban említettük, a LEM félvezetőtechnológiába való befektetése lehetővé tette a vállalat számára, hogy felgyorsítsa érzékelőinek miniatürizálását.
Azáltal, hogy a LEM a TDK-val való együttműködés révén olyan új érzékelési technológiákba fektetett be, mint az alagút mágneses ellenállás (TMR), a vállalat gyorsabb, pontosabb és alacsonyabb fogyasztású érzékelőket tud kifejleszteni. Ezzel egyidejűleg a LEM jelentős beruházásokat eszközölt a szoftveres képességek terén, hogy az általa fejlesztett rendszerek intelligensebbek legyenek elődeiknél. Ilyen beruházás például egy kifejezetten erre a célra épített K+F központ a franciaországi Lyonban, valamint egy külön erre a célra létrehozott csapat felállítása Bulgáriában.
Hogyan értékeli a LEM a jelenlegi érzékelési piac mai helyzetét?
T.H.: Az elmúlt években a LEM megfigyelte, hogy az autóipari piacnak a fokozott villamosítás révén történő növekedése számos félvezetőipari vállalatot vonzott, amelyek bővítik az ágazatban való részvételüket. A klasszikus autóipari Tier 2 gyártók (azaz az OEM autógyártóknak beszállító alkatrészgyártók) száma is növekedett, akik bizonyos megoldásokat kínálnak.
Milyen stratégiákat alkalmaz a LEM, hogy versenyképes maradjon és tudjon alkalmazkodni a változó piaci dinamikához?
T.H.: A fentiekben ismertetett technológiai oldalon tett erőfeszítéseken túlmenően a LEM az egyetlen olyan szereplő az ágazatban, amely kizárólag az áramérzékelőkre összpontosít. Ez azt eredményezte, hogy a vállalat ma az áramérzékelők legszélesebb portfóliójával rendelkezik, ami azt jelenti, hogy minden új kihíváshoz képes volt a megfelelő technológiát kiválasztani. A TMR egy újabb technológia, amely bővíti ezt a megoldási portfóliót. A LEM emellett óriási know-how-t halmozott fel az árammérés területén. Ez kulcsszerepet játszott abban, hogy a LEM mérnökei pontos és megbízható érzékelőket fejleszthessenek ki az ügyfelek alkalmazásaiban.
Hogyan pozicionálja a LEM az integrált áramérzékelőket (ICS) mint megoldásokat a „kisebb, okosabb, olcsóbb” eszközök kihívásaira?
T.H.: A LEM az ICS-eket az áramérzékelők természetes továbbfejlesztésének tekinti. Az integrált érzékelők valójában elődeik kisebb változatai. Amit gyakran nem értenek meg, hogy az áramméréssel járó összes kihívást a miniatürizálás felerősíti. Ez azt jelenti, hogy az ebben az ágazatban tevékenykedő szereplők számára elengedhetetlenül fontos, hogy alapos ismeretekkel és tapasztalattal rendelkezzenek az olyan kritikus paraméterekkel kapcsolatban, mint a di/dt, dV/dt és a részleges kisülések, hogy csak néhányat említsünk.
Tudna példákat mondani arra, hogy az ICS technológia hogyan oldja meg a piac konkrét kihívásait?
T.H.: Az ICS-ek egyik legfontosabb jellemzője a méretük. Például egy tipikus alkalmazás, ahol egy hagyományos LEM-érzékelő túl nagy lenne, az elektromos kerékpárokban található. Az ICS-technológiának köszönhetően a 8-SOIC (3,90 mm széles) érzékelők, például a GO 20 SME Hall-effektes áramátalakítók ma már elég kicsik ahhoz, hogy beférjenek egy e-kerékpár motorjába, miközben pontos nyomatékszabályozást biztosítanak. A rendkívül alacsony profilú érzékelők galvanikus elválasztással rendelkeznek a primer és szekunder áramkörök között, 2500 V RMS szigetelt tesztfeszültséggel és alacsony energiafogyasztással. Emellett nagyfokú immunitással rendelkeznek a külső zavarokkal szemben, kiváló szigetelőképességgel – nincs mágneses hiszterézis – és alacsony elektromos ellenállással (0,9 mΩ).
Az integrált áramköri érzékelőkön belül hogyan alkalmazza a LEM a TMR-technológiát az alkalmazás kihívásaira?
T.H.: A legtöbb ICS manapság Hall-elemeket használ a mérendő áram által generált mágneses mező érzékelésére. Miután sok évet töltött a Hall-érzékelők fejlesztésével, a LEM elérte azt a pontot, amikor az egyik paraméter (például a sebesség) javítása más paraméterek (például a pontosság és az energiafogyasztás) tekintetében kompromisszumot igényel. A TMR szépsége abban rejlik, hogy mindhármat biztosítja – a jobb sebességet és pontosságot, valamint az alacsonyabb energiafogyasztást – egyszerre. A kompromisszumok megszűntek, és ez nagyban hozzájárul ahhoz, hogy az adott alkalmazások kihívásainak megfeleljen.
Mely alkalmazások profitálnak leginkább a TMR technológiából és miért?
T.H.: Az elektromos járművek fedélzeti töltői lesznek az első olyan alkalmazások, amelyek profitálnak a TMR-technológiából, mivel ezek nagyon gyors árammérést igényelnek. A másodikak a sorban a napelemes inverterek lesznek, amelyek integrált áramérzékelői kiváló eltolódást biztosítanak a hőmérséklet függvényében (ami a váltakozó áramú oldalon elengedhetetlen).
Hogyan növeli a TDK-val való partnerség a LEM azon képességét, hogy megoldásokat nyújtson a piacnak?
T.H.: A TDK az idők során nagyon komoly know-how-t fejlesztett ki a TMR-technológia területén. A vállalat TMR-tudásának és a LEM ICS-fejlesztésben szerzett tapasztalatának kombinációja lehetővé teszi, hogy új szabványt állítsunk fel az ICS teljesítménye terén az OBC-k, a napelemes inverterek és más alkalmazások, például az autonóm mobilitás terén. A LEM a TDK-t a kategória legjobb technológiai teljesítménye, valamint a megbízható szállítás, az autóipari minőség és a folyamatok érettsége alapján választotta partneréül. Az együttműködés célja egy olyan TMR-alapú érzékelő előállítása volt, amely gyorsabb, pontosabb és alacsonyabb zajszintű, mint a meglévő megoldások.
Hogyan járul hozzá a TDK-val való együttműködés a piacra kerülési időhöz és a LEM megoldásainak megbízhatóságához/minőségéhez?
T.H.: Egy jó TMR és egy kiváló minőségű ICS kifejlesztése sok évet vesz igénybe. A két vállalat összefogásával a meglévő technológiáikat felhasználva jelentősen lerövidíthető az az idő, amely bármelyiküknek is kellene ahhoz, hogy egy csúcsminőségű, a játékmenetet megváltoztató terméket hozzanak forgalomba. A TDK a TMR-formákat a LEM számára fejleszti, amely azokat a korábban említett ágazatok integrált áramérzékelőibe építi be. Az áramérzékelők piaca nagy mennyiséget és költséghatékony termékeket igényel, amiket ez az együttműködés minden bizonnyal biztosítani tud.
Szerző: Thomas Hargé – a LEM globális termékmenedzsment alelnöke
LEM International SA
Route du Nant-d’Avril, 152.
1217 Meyrin, Switzerland
Tel.: +41 22 706 11 11
www.lem.com
