工業(yè)和汽車(chē)用功率半導(dǎo)體：哪些應(yīng)用是新風(fēng)向標(biāo)？

　　近日，安森美半導(dǎo)體工業(yè)和汽車(chē)部向《電子產(chǎn)品世界》介紹了兩大產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用熱點(diǎn)，及該公司的解決方案。

　　1 工業(yè)機(jī)遇：可再生能源發(fā)電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、EV充電樁

　　工業(yè)市場(chǎng)正處于基礎(chǔ)設(shè)施革命之中，舊的機(jī)械系統(tǒng)正被電子系統(tǒng)取代。這些電子系統(tǒng)顯著提高能效，減少世界碳排放。各國(guó)政府了解這些電子系統(tǒng)的重大影響，并實(shí)施政策和法規(guī)以加速轉(zhuǎn)變。

　　從功率如何產(chǎn)生開(kāi)始，傳統(tǒng)方法如燃煤電廠在迅速轉(zhuǎn)向由太陽(yáng)能和風(fēng)能的替代能源。這種轉(zhuǎn)變比預(yù)期的快很多，使各國(guó)政府要制定進(jìn)取的目標(biāo)。例如，中國(guó)國(guó)家發(fā)改委提出了在2030年前將可再生能源發(fā)電比例從20%提升到35%的發(fā)展目標(biāo)。這場(chǎng)能源革命給功率半導(dǎo)體帶來(lái)很大的商機(jī)，一個(gè)太陽(yáng)能逆變器中的功率半導(dǎo)體含量可從燃煤發(fā)電廠的0美元升到650美元。這650美元的含量主要是IGBT功率模塊，用于將太陽(yáng)能面板的DC電壓升壓到較高電壓，然后用另一IGBT模塊轉(zhuǎn)換為AC電壓供給電網(wǎng)。

　　轉(zhuǎn)向替代能源有個(gè)主要的缺點(diǎn)：峰值能量產(chǎn)生并不同時(shí)與峰值能量消耗發(fā)生。這為功率半導(dǎo)體在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS)中的應(yīng)用創(chuàng)造了額外的商機(jī)，以解決這一缺陷。一個(gè)典型ESS的功率半導(dǎo)體含量約為836美元。

　　功率半導(dǎo)體不僅用于減少發(fā)電中的碳排放，且用于有效地利用所產(chǎn)生的功率。最有力的例子是消耗全世界約45%能源的工業(yè)電機(jī)。采用IGBT模塊控制電機(jī)速度的新變速驅(qū)動(dòng)(VSD)可降低60%的能耗。這些VSD的功率等級(jí)范圍很廣，平均功率半導(dǎo)體含量約為40美元。但普通電機(jī)沒(méi)有功率半導(dǎo)體。這種轉(zhuǎn)變正在迅速發(fā)生，因?yàn)榭蔀檎椭圃焐處?lái)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保成效。如果全球到2030年完全轉(zhuǎn)用VSD電機(jī)，那將總節(jié)省超過(guò)1.7萬(wàn)億美元，或相等于世界上安裝的核電站的所有能源輸出。

　　雖然有些應(yīng)用正在減少世界的能源需求，但也有些新的應(yīng)用將大幅增加能源需求，例如電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電樁。電動(dòng)汽車(chē)的迅速普及在推動(dòng)功率半導(dǎo)體含量高達(dá)500美元的EV充電樁的部署需求。沒(méi)有功率半導(dǎo)體的加油站將需要轉(zhuǎn)換為消耗大量能源，因而需要功率半導(dǎo)體的電動(dòng)汽車(chē)充電樁，因而需要基礎(chǔ)設(shè)施的大幅變革。

　　1.1 安森美半導(dǎo)體的相關(guān)產(chǎn)品

　　安森美半導(dǎo)體提供寬廣的尖端功率半導(dǎo)體陣容，可充分發(fā)揮在快速增長(zhǎng)工業(yè)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，包括領(lǐng)先行業(yè)的功率溝槽MOSFET技術(shù)，采用最新的分立封裝，提供更高能效用于次級(jí)整流等應(yīng)用。在高電壓領(lǐng)域，有具備領(lǐng)先的650V和1200 V IGBT技術(shù)。IGBT是上述大多數(shù)應(yīng)用的核心。

　　安森美半導(dǎo)體集結(jié)這些領(lǐng)先行業(yè)的技術(shù)在電源模塊中，提供更高的集成度和可靠性。公司的智能功率模塊(IPM)陣容處于有利地位，廣泛用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用領(lǐng)先的分立IGBT技術(shù)。在轉(zhuǎn)向更高的功率等級(jí)方面，公司提供功率集成模塊(PIM)，把IGBT、FET、二極管和碳化硅(SiC)器件集成在一個(gè)模塊中。公司的PIM在太陽(yáng)能逆變器市場(chǎng)占有很大的份額，并擴(kuò)展到上述其他市場(chǎng)。

　　今天，僅僅在傳統(tǒng)的硅分立和模塊技術(shù)領(lǐng)先是不夠的，領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體制造商還需具備寬禁帶(WBG)技術(shù)。安森美半導(dǎo)體有強(qiáng)大的650 V和1200 V節(jié)點(diǎn)SiC二極管，最近還推出了1200 V SiCMOSFET系列，提供更高能效、更小的方案，并降低系統(tǒng)成本。

　　安森美半導(dǎo)體是全球第二大功率半導(dǎo)體制造商，擁有尖端的硅、WBG和封裝技術(shù)，將能在工業(yè)市場(chǎng)抓住這巨大的增長(zhǎng)機(jī)遇。

　　2 48 V汽車(chē)功能電子化

　　汽車(chē)應(yīng)用持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，隨著一些電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)的推出，48 V汽車(chē)功能電子化市場(chǎng)需求大增。

　　隨著大量新的輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(MHEV)的推出，48V汽車(chē)功能電子化市場(chǎng)已爆發(fā)。這些車(chē)輛一直在增長(zhǎng)，因?yàn)檐?chē)廠力求符合新的嚴(yán)格的碳排放和燃油經(jīng)濟(jì)性要求。48 V車(chē)輛實(shí)際是雙電壓車(chē)輛，除了普通的12 V電池外，還添加了一個(gè)48V電池來(lái)運(yùn)行新的更高功率的子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)主要由一個(gè)集成的啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)(ISG)組成，用于啟動(dòng)、充電和加速。由于能關(guān)斷主汽油發(fā)動(dòng)機(jī)并使用ISG重新啟動(dòng)車(chē)輛，從而省油和提升能效。此外，ISG可獲取制動(dòng)時(shí)損失的能量，以重新為電池充電。它還增加了一個(gè)“助推”功能，幫助汽車(chē)加速，因此支持制造商縮小汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。與“全混合動(dòng)力”相比，這些“混合”功能的組合可大大增加車(chē)輛的每加侖英里數(shù)(MPG)和降低碳排放，但只增加適當(dāng)?shù)某杀尽?/p>

　　這些48 V系統(tǒng)給車(chē)輛增加顯著的電力電子成分。首先，ISG含一個(gè)多相功率半導(dǎo)體橋(三相或六相)。它由80 V或100 V MOSFET器件或全集成的功率模塊構(gòu)成。

　　功率橋器件需要支持電路，如門(mén)極驅(qū)動(dòng)IC、電流檢測(cè)放大器和其他緩沖或瞬態(tài)抑制器件。48 V車(chē)輛還需要一個(gè)電源轉(zhuǎn) 換 器 ， 以 從 4 8V ISG輸出為12 V電池充電。該轉(zhuǎn)換器需要額外的功率器件及必要的電子支持電路來(lái)執(zhí)行這一功能。其他48 V子系統(tǒng)也在不斷推出，如電動(dòng)渦輪增壓 器 或 電 動(dòng) 增 壓器，其設(shè)計(jì)中具有顯著的電力電子含量。

　　2.1 安森美半導(dǎo)體的相關(guān)優(yōu)勢(shì)

　　安森美半導(dǎo)體一直是把功率溝槽MOSFET技術(shù)封裝在許多尖端的行業(yè)封裝中的領(lǐng)袖之一，也在開(kāi)發(fā)應(yīng)用于汽車(chē)的80 V和100 VMOSFET模塊突飛猛進(jìn)。這些模塊由溝槽功率MOSFET組成，能夠驅(qū)動(dòng)25 kW的ISG應(yīng)用，是電隔離的、高效散熱的和緊湊的，且含內(nèi)部溫度檢測(cè)、電壓過(guò)沖緩沖器件，并具有支持3相和6相驅(qū)動(dòng)的配置。

　　寬禁帶在碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率器件取得進(jìn)展，在半導(dǎo)體領(lǐng)域是非常新的，已廣泛用于商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。現(xiàn)已在汽車(chē)細(xì)分市場(chǎng)越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗鼈兡芴岣咴S多高功率汽車(chē)系統(tǒng)的能效、并以高得多的速度工作。其更高的開(kāi)關(guān)速度勝于典型的“硅”器件。在現(xiàn)代汽車(chē)成本中，尤其注重重量和體積，促成車(chē)輛的電子和電力電子系統(tǒng)的激增。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第86頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處