Der Aufstieg von 48V-Robotern

Industrieroboter sind ein grundlegender Bestandteil der vierten industriellen Revolution, besser bekannt als Industrie 4.0. Da diese Geräte auch mit entfernten Systemen und Sensoren verbunden sind, bilden sie einen wichtigen Bestandteil des Internets der Dinge (IoT) oder des industriellen Internets der Dinge (IIoT). Laut IFR (International Federation of Robotics www.ifr.org) waren 2018 fast 2,5 Millionen Industrieroboter installiert und diese Zahl wächst jährlich um mehr als 400.000 Einheiten. Die Sektoren Industrie, Automobil, Elektro und Elektronik machen mehr als die Hälfte der Gesamtmenge aus, während Maschinen, Kunststoffe, Chemikalien, Lebensmittel und Getränke ebenfalls bedeutende Nutzer sind. Etwa 75 % der Industrieroboter sind in China, Japan, den Vereinigten Staaten, Korea und Deutschland zu finden. Die schnelle Einführung von Robotern beschränkt sich nicht nur auf den Industriesektor mit seinen 250.000 im Jahr 2018 installierten „Professional Services“-Robotern. Dies entspricht einem beeindruckenden Wachstum von über 60 % gegenüber dem Vorjahr. Zwei von fünf derzeit im Einsatz befindlichen Servicerobotern werden als autonom geführte Fahrzeuge (AGVs) klassifiziert und vor allem in der Logistik und Fertigung eingesetzt. Der Markt für persönliche und Heimroboter wuchs in ähnlicher Weise (rund 60 %) und besteht jetzt aus etwa 16,3 Millionen Einheiten, die für verschiedene Aufgaben verwendet werden, vom Staubsaugen bis hin zu Bildung und Forschung.
48V-Robotik
48 V hat sich in vielen Anwendungen zumindest teilweise durchgesetzt, weil es die höchste sichere Spannung im allgemeinen Gebrauch ist. Dies ermöglicht Entwicklern, den Systemschutz im Vergleich zu netzgekoppelten Geräten sowie die Größe der Leiter (im Vergleich zu 12-V-betriebenen Produkten) zu reduzieren, was Gewicht, Kosten und Leistungsverluste verringert. Direktgespeiste 48-V-Motoren sind in der Regel auch kleiner, und in Roboteranwendungen ermöglicht dies kleinere, leichtere Verbindungen, wodurch die Maschineneffizienz, Manövrierfähigkeit und Zuverlässigkeit erhöht sowie Gewicht und Kosten reduziert werden. Dies wiederum eröffnet weitere potenzielle Möglichkeiten für den Einsatz von Robotern zur Verbesserung der Prozessautomatisierung in allen Branchen. 48 V werden häufig in modernen Anwendungen wie der Automobilindustrie verwendet, wo sie 12 V in vielen Fahrzeuggeräten schnell übertreffen, sowie für Cloud-Computing, wo 48 V verteilte Leistung in Servern, Lüfterkühlung und anderen Anwendungen im Zusammenhang mit der Telekommunikation verwendet werden. Diese Verbreitung impliziert eine breite Verfügbarkeit von Geräten und Subsystemen, die mit 48 V betrieben werden, was das Angebot für Designer erweitert und die Kosten dank Skaleneffekten senkt.
Roboter sind Systeme von einer gewissen Komplexität und werden je nach Anwendung und Funktionalität funktionale Elemente wie Konnektivität, Bilderkennung, Positionserkennung und Motorsteuerung enthalten. Sie verfügen auch über verschiedene Leistungssubsysteme, wie z. B. AC/DC-Wandlung, Batteriemanagement, DC/DC-Wandlung, Mehrphasenwandler, Point-of-Load (PoL)-Wandlung, lineare Regelung und Motorantriebe. Jeder dieser Bereiche erfordert eine effiziente Lösung, damit der Roboter wie vom Konstrukteur beabsichtigt funktioniert. Wenn wir Funktionsblockdiagramme für In-Car- oder Cloud-Computing-Systeme betrachten würden, würden wir eine Reihe von Ähnlichkeiten mit dem Roboter-Blockdiagramm feststellen. Dies eröffnet Möglichkeiten, Energielösungen aus anderen Anwendungen in die Robotik zu bringen. Beispielsweise werden elektronische Sicherungen (eFuses) im Cloud-Computing häufig verwendet, um das Hot-Swapping von Speichermedien und Kühlgeräten wie Lüftern zu ermöglichen. Dieselben Sicherungen können jedoch in einer Roboteranwendung verwendet werden, um die Modularität zu erhöhen und den Austausch von Funktionsblöcken (z. B. Werkzeugteilen) durch den Roboter selbst zu ermöglichen, sogar während er läuft und abhängig von der anstehenden Aufgabe.
Stromversorgungslösungen für 48-V-Roboteranwendungen
Heutzutage verwenden viele Roboteranwendungen einen 48-V-Bus, um das System mit Strom zu versorgen. Im Vergleich zu einem typischen 12-V-Bus bietet dies 1/16 der Verluste oder ermöglicht die Verwendung dünnerer, leichterer Kabel. Bei fest installierten Robotern werden die 48 V durch eine an das Stromnetz angeschlossene Stromversorgung erzeugt, die eine Leistungsfaktor-Korrekturstufe (Power Factor Corrected, PFC) enthält. Mobile Roboter wie Drohnen, Gesundheitsassistenten und andere werden über einen Akku verfügen, der regelmäßig über einen Adapter aufgeladen wird. Nur wenige Halbleiter können direkt bei 48 V arbeiten, im Allgemeinen benötigen sie Spannungen von 5 V und sogar unter 1 V. Der nicht isolierte PoL-Wandler spielt eine wichtige Rolle bei der Umwandlung einer höheren Spannung auf das von der integrierten Schaltung geforderte Niveau. In einigen Fällen wird die Zwischenbusspannung (normalerweise 12 V) durch einen Zwischenbuswandler (IBC) erzeugt, der lose geregelt wird, während der PoL-Wandler die 12 V in die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung umwandelt. Die einstufige Wandlung wird immer häufiger verwendet, und es gibt inzwischen viele PoL-Konverter, die direkt von der 48-V-Schiene auf die IC-Versorgungsspannung wandeln können. Wie bei jeder Energielösung muss die Energiearchitektur der Roboteranwendung effizient und zuverlässig sein und eine hohe Leistungsdichte bieten, damit der Roboter klein und wendig genug ist, um seine Funktionen korrekt auszuführen. Der Schlüssel liegt in der Auswahl der geeigneten Halbleiter für die verschiedenen Leistungsfunktionen innerhalb des Roboters.
Halbleiter für Leistungsanwendungen in der Robotik
ON Semiconductor ist das Beispiel eines Unternehmens, das sein Wissen angewendet und investiert hat, um eine Vielzahl von Geräten und Leistungsprodukten anzubieten, die Designern die Möglichkeit bieten, leistungsstarke Leistungslösungen für Roboteranwendungen zu entwickeln. Eines der am häufigsten verwendeten Bauelemente in fast allen Stromversorgungslösungen ist der MOSFET. Das breite Sortiment von ON Semiconductor besteht aus „Super-Junction“-MOSFETs mit mehreren Versionen für unterschiedliche Schaltarten und Anwendungen. FAST-Geräte bieten einen hohen Wirkungsgrad in hart geschalteten Topologien, während einfach zu steuernde Geräte für hart und weich geschaltete Anwendungen geeignet sind, wo sie niedrige EMI und niedrige Spannungsspitzen gewährleisten. Ergänzend zum MOSFET-Angebot gibt es auch eine große Auswahl an Gate-Spannungsreglern, die eine direkte Steuerung von MOSFETs mit Hilfe eines Mikrocontrollers oder einer anderen Logikschaltung ermöglichen. Je nach Schaltungskonfiguration kann ein einzelner nicht isolierter Treiber (z. B. die NCD570x-Serie von ON Semiconductor) oder eine fortschrittlichere isolierte Lösung oder ein High/Low-Side-Treiber verwendet werden. Hochintegrierte Lösungen wie Intelligent Power Modules (IPMs) und Automotive Power Modules (APMs) bieten zahlreiche Vorteile.
Alle diese Module integrieren in der Regel mehrere MOSFETs zur mehrphasigen Motorsteuerung sowie die erforderlichen Steuerungsgeräte. Im Vergleich zu diskreten Lösungen verbessern diese Module die thermische Leistung, da alle Geräte auf demselben Substrat montiert sind. Sie sind auch in der Lage, höhere Ströme zu handhaben und das Niveau elektromagnetischer Interferenzen zu verbessern, und bieten eine kleinere und leichtere Lösung als eine diskrete Lösung. Neben diesen Lösungen bietet ON Semiconductor einen kompletten Katalog für Robotik-Leistungsanwendungen, bestehend aus elektronischen Sicherungen, integrierten Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur, Gleichrichtern, Stromsensoren und Hilfsstromschaltgeräten. All dies wird durch das Bluetooth-Modul mit dem niedrigsten Verbrauch auf dem Markt und eine breite Palette von Bildsensoren für fortschrittliche Bildverarbeitung ergänzt.