电力在工业 4.0 中扮演重要角色

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

工业 4.0 技术革命不仅通过在生产过程中使用数据或在整个供应链中集成各种生产系统来定义。它还涉及分析和整合产品和流程的整个生命周期，以满足个别客户的需求。

在未来的几十年里，公司将建立全球网络，将他们的机器、存储系统和生产设施以可以实时管理的网络物理系统的形式整合起来。智能物联网传感器通过云接口和 I/O 链接实现数据收集和分析，从而实现对最佳工业条件的持续监控和维护。

物联网 (IoT) 正在迅速形成，公司正在调整其 IT 基础设施以满足新的物联网要求。数据中心正在帮助处理数字化转型过程中涉及的大量数据，靠近数据的来源。作为 IT 转型的一部分，一些公司已开始实施新的数据中心技术和分布方法。

发动机控制是工业 4.0 发展中的另一项重要战略技术。寻找电机控制领域的高效解决方案是每个人的首要任务，包括系统开发商和组件制造商。

在所有应用环境中，包括集成 DC/DC 转换器在内的电源管理系统的设计都遵循精确的规范。其中包括输入电压范围、输出电压值、输出功率、效率、输入和输出之间的电气绝缘以及工业标准。

工业 4.0 需要用于工业设备的高性能组件，从更高的能源效率到在恶劣环境中的稳健运行，同时缩小外形尺寸。能源管理、效率和运动控制是这些新型智能工厂的几个关键领域。

工业用 DC/DC 电源

随着工业 4.0 的发展，能源管理有了新的意义，因为物联网、数据分析和云计算的融合导致了复杂、分散和互联的工业系统和生态系统。为了实现最佳能效，工程师越来越需要正确、准确地表征智能工厂中电力系统所有组件的行为，特别是 DC/DC 转换器。

DC/DC 转换器市场正在扩大。在包括通信、计算机和各种工业领域在内的传统应用的稳步增长以及几种新型创新电源架构的出现的推动下，DC/DC 转换器市场也将受益于新器件的可用性，例如碳化硅（ SiC) MOSFET 驱动器。凭借其出色的热特性，SiC 器件代表了各种应用中的优选解决方案。

例如，RECOM Power GmbH 的RKZ-xx2005D 系列 （通过 UL60950 和 IEC/EN60950 认证）包括适用于 SiC MOSFET 驱动器的 DC/DC 转换器，效率高达 87%（图 1）和一个最大容性负载为 47/680 µF。

隔离电压为 3 kVDC 或 4 kVDC，最高可达 5.2 kVDC（测试一分钟），温度范围为 –40°C 至 90°C，可满足汽车和工业应用中最恶劣的条件。

图 1：RKZ-xx2005D 系列的典型应用电路。（图片：RECOM Power）

Tamura Corp. 的栅极驱动器模块是具有内置 DC/DC 转换器和专用驱动电路的集成器件，适用于 SiC MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器。模块是一体式的，只需几个外部组件即可运行。低共模噪声、高速响应和小尺寸是这些解决方案的主要特点，使其能够在工业、机器人和电源转换应用中使用。

汽车、交通运输和工业领域等需要低电磁干扰 (EMI) 电源解决方案的应用中，对噪声的敏感性是另一个值得关注的领域。虽然 EMI 过滤或金属屏蔽会增加设计成本，但 Analog Devices Inc. (ADI) 的低噪声 µModule 技术提供了一种可能的替代方案，可在高开关频率下以高效率将 EMI 辐射降至最低。

图 2：LTM8003H 的框图。（图片：模拟设备公司）

ADI 的LTM8003H 旨在满足汽车、工业和军事应用所需的 –40°C 至 150°C 内部工作温度范围的规范，在这些应用中，电源电路必须连续且安全地工作（图 2）。

高效数据中心

即使对更多功率的需求不断增长，对电源的重量和尺寸的要求也越来越严格。这就是为什么越来越多的公司将其配电和电力系统从传统的 12 V 转换为 48 V 的主要原因。数据中心、云服务器、机器学习和深度学习应用程序对电力的需求越来越大，因为广泛的使用 CPU、GPU 和其他计算设备。从 12V 切换到 48V 电源总线需要仔细选择组件和适当的设计技术。

英飞凌科技股份公司为 48V 配电推出了一种创新的高效两级架构，特别适用于数据中心。基于其零电压开关 (ZSC) 开关电容器转换器，新架构可以有效地为 CPU、GPU、SoC、ASIC 和内存模块供电。

将 ZSC 技术与氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 相结合，例如CoolGan 600-V 器件，可为下一代数据中心优化功率流和高性能。ZSC 转换器可为基于 48V 总线电压的应用提供最高水平的效率和功率密度。

图 3：ZSC 两级架构。（图片：英飞凌）

ZSC 转换器与最佳多相降压稳压器的组合使用可提供等于或大于 94% 的效率和高于 48 V 供电系统的市场平均水平的功率密度。图 3 显示了一个评估板，基于ZSC 转换器，实现了两级架构。

运动控制

电机控制是一种方法和技术，涵盖范围广泛，从简单的风扇和泵控制到更复杂的工业控制问题，如机器人和伺服机构。闭环控制算法需要测量三相电机电流和转子位置。这种控制涉及高侧和低侧电流放大器、霍尔效应传感器和能够在具有挑战性的环境中准确工作的 ADC 转换器。

霍尔技术已经在各种应用中取代了许多传统的电流控制技术，包括液位测量和电机控制。霍尔效应器件提供了一种可靠且简单的方法来监控与电机扭矩成正比的电机电流。

例如，Maxim Integrated 的MAX9640 是一款霍尔效应开关，可检测磁场的方向和幅度。如果磁场超过内部阈值，无论磁场的极性如何，它都有一个输出。

此外，电流检测放大器有助于监控电流并提供系统负载的闭环反馈。传感放大器用于过流保护和电源监控系统的优化。一个例子是 Maxim Integrated 的MAX40056 双向电流检测放大器，具有获得专利的脉宽调制 (PWM) 抑制（图 4）。

图 4：MAX40056 框图。（图片：美信集成）

结论

工业 4.0 通常与制造公司通过利用数字集成实现工厂和生产线自动化来提高生产力和更新运营模式的机会相关联。物联网等支持技术使工程师能够走得更远，创建一个智能工厂，使用改进的运动控制和电源管理解决方案优化生产效率。因此获得了额外的节省，减少了能源消耗——该行业最重要的成本项目之一——并在可持续性方面取得了收益。

审核编辑 黄昊宇