Bruco heeft een chip met geïntegreerde schakelaars ontwikkeld die toepasbaar is in vrijwel elke schakelende hoogspanningsvoeding. De schakelaars zijn zwevend ten opzichte van elkaar en te configureren voor zowel wissel- als gelijkspanning. Dit maakt toepassingen mogelijk die direct, zonder gelijkrichters, aan het lichtnet hangen. Voorbeelden zijn elektronische transformatoren (variacs), motorregelingen, leddrivers, acculaders, omvormers voor zonnepanelen en klasse D audioversterkers.
Bij Bruco hebben we een heleboel ervaring opgebouwd met diverse vormen van powermanagementchips en de aansturing van vermogensschakelaars, zogeheten power-mosfets. Allemaal op basis van silicium. Binnen het Europese subsidieprogramma EPT300, onderdeel van de Eniac Joint Undertaking, zijn we deze expertise nu aan het uitbreiden en kennis op aan het doen van alternatieve halfgeleidertechnologieën.
In dit kader hebben we een proof-of-conceptchip gemaakt van een schakelende voeding in silicon-on-insulator (soi). Hierbij zijn de transistoren die de schakelaars vormen ‘elektrisch’ geïsoleerd ten opzichte van elkaar, oftewel zwevend. Het grote voordeel van soi is dat het latch-up uitsluit, een soort kortsluiting die een belangrijke bron van fouten vormt in standaard siliciumprocessen. Dit weegt op tegen de hogere productiekosten van de alternatieve technologie.
Een belangrijk nadeel is dat geïntegreerde schakelaars veel oppervlak vereisen, wat de chip duurder maakt. Daartegenover staat dat er minder externe componenten nodig zijn, zodat het totale systeem voor kleinere vermogens toch goedkoper is en bovendien gemakkelijker te ontwerpen op pcb-niveau. Voor grotere vermogens zal een hybride oplossing met externe vermogenstransistoren vooralsnog goedkoper zijn, maar gezien de voortschrijdende ontwikkelingen in ic-technologie zullen volledig geïntegreerde oplossingen steeds aantrekkelijker worden.
Demokoffer
De basis van een schakelende voeding is kortstondig een beetje energie opslaan in een capaciteit of een spoel en deze er vervolgens weer uit halen. Dit gebeurt door meerdere schakelaars in een zekere volgorde aan en uit te zetten, zodat er een stroompje in gaat en er via een andere weg een stroompje uit komt. Door dit slim te timen, kun je de ene spanning omzetten in een andere, met weinig energieverlies. Input en output kunnen zowel wissel- als gelijkspanning zijn.
Device lifecycle management for fleets of IoT devices
Microchip gives insight on device management, what exactly is it, how to implement it and how to roll over the device management during the roll out phase when the products are in the field. Read more. .
De schakelaars in onze soi-oplossing zijn opgebouwd uit twee transistoren. Deze zijn in serie te gebruiken voor ac-toepassingen en parallel te schakelen voor dc-applicaties (Figuur 1). De besturing gebeurt op twee niveaus: door een mastercontroller en door meerdere kanaalcontrollers (Figuur 2).
De kanaalcontrollers gebruiken de signalen van de monitorcircuits, die metingen verrichten aan de vermogensschakelaars ter beveiliging en voor een precies schakelmoment. Hiermee verkrijgen we een hoog rendement. Aangezien beide functies snelle en nauwkeurige timing vereisen, hebben we ze opgenomen in het kanaal bij de driver en eindtrap. De pwm- of fm-signaalgeneratie en minder tijdskritieke functies zoals de overall feedbackloop, fasedetectie, soft-start en shutdown voert de mastercontroller uit. Deze hebben we vooralsnog buiten de chip gezet; we overwegen hem mee te integreren in een later stadium.
Als eerste applicatie hebben we met onze chip een elektronische variac gebouwd. Deze produceert een regelbare sinusvormige uitgangsspanning, verkregen uit het lichtnet middels een buck-converter met ac-geconfigureerde schakelaars. Daarmee zijn veel niet-dimbare ledlampen toch te dimmen. Op zich geen verkoopargument, want er zijn altijd wel ledlampen te vinden die zich helemaal niet laten dimmen, maar het creëert wel nieuwe mogelijkheden. Met de applicatie zijn ook kleine wisselspanningsmotoren te regelen, bijvoorbeeld voor een zonnescherm.
Inmiddels hebben we een complete demokoffer waarmee we de leddimmer-toepassing kunnen laten zien aan geïnteresseerden. We zijn nu in gesprek met meerdere potentiële klanten om ons proof-of-concept door te ontwikkelen tot een concreet product. De huidige chip kan een vermogen regelen van 50 watt, voldoende voor een leddimmer of een kleine ac-motor; de gebruikte soi-technologie biedt ruimte om dat op te krikken.
Fraunhofer
We kijken echter ook naar andere alternatieve halfgeleidertechnologieën. Op basis van siliciumcarbide transistoren worden al voedingen gerealiseerd voor grote vermogens en galliumnitride transistoren worden steeds meer gebruikt om discrete rf-versterkers te maken voor 4g-netwerken. Dit type rf-versterkers (Doherty) ontwikkelen we ook bij Bruco. Aangetoond is dat deze alternatieve technologieën een drastische verbetering bieden ten opzichte van standaard silicium. Dit uit zich in een groter spanningsbereik, een veel hogere snelheid en een significante reductie van het benodigde chipoppervlak.
Als eerste stap hebben we contact gezocht met het Fraunhofer-instituut in Erlangen, dat een siliciumcarbide proces ontwikkelt en daar reeds hoogspannings- en kleinsignaaltransistoren mee heeft gemaakt. De hoogspanningstransistoren combineren een zeer lage serieweerstand met een oppervlak dat veel kleiner is dan dat van vergelijkbare in silicium geproduceerde transistoren. Helaas zijn ze nog niet zwevend uit te voeren. Daarnaast zijn de eigenschappen van de kleinsignaaltransistoren nog zeer matig. Volledige integratie van een schakelende voeding in SiC zit er daardoor nog niet in. Zodra dat wel mogelijk is, zal dat de deur openen naar nog kleinere en goedkopere schakelende voedingen met nieuwe mogelijkheden op het gebied van hoogspanning.