東芝：以變革技術引領電機能效升級

在后疫情時代，隨著社會生活的逐步開放，恢復被疫情耽誤的經濟活動將成為重中之重，其中工業(yè)控制、新能源汽車、智能家電的市場需求將會加速增長。

就電機而言，隨著電氣設備自動化程度的不斷提高，電機的應用范圍越來越廣泛，單個設備的電機用量也在不斷增加。據(jù)相關報道，僅僅中國國內家電市場的電機年需求量就超過10 億臺。另外，隨著新能源汽車產量的高速增長和汽車電動化程度的不斷提高，車用電機的需求量快速增長，一般來說經濟型燃油車會配備10 個左右的電機，普通汽車會配備20~30 個電機，而豪華車會配備60~70 個電機，甚至上百個電機，新能源汽車需要的電機會更多。就電機的種類而言，隨著碳達峰碳中和政策的實施，以及設備自動化程度的不斷提高而帶來的電機使用量的增加，電機系統(tǒng)的功耗變得不可忽視，再加上人們對電機低噪音、高速穩(wěn)定工作以及電機使用壽命長等需求，無刷電機的滲透率逐年增長，據(jù)相關統(tǒng)計，無刷電機在汽車中的滲透率約為30%，在家電中的滲透率為20%。但是，相比有刷電機，驅動無刷直流電機需要一個比較復雜的電機控制驅動電路，這就給廣大半導體芯片廠商提供了一個商業(yè)機會。東芝在電機控制驅動電路方面積累了豐富的經驗，相關產品已經投放市場40 多年，涵蓋了消費類、工業(yè)類和車載類等應用領域，并且根據(jù)客戶需求進行著持續(xù)開發(fā)改進。

東芝作為電機驅動電路的主要供應商之一，在電機控制驅動系統(tǒng)中的產品主要有MCU、MCD、IPD、MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 等相關器件，分為消費類、工業(yè)類以及車載類等不同應用類型。

在直流無刷電機控制驅動IC中，采用了東芝原創(chuàng)的智能相位控制技術，使得使用東芝無刷電機驅動IC的解決方案的開發(fā)過程得到優(yōu)化。由于市場對于節(jié)能、電機安靜運行的要求越來越高，直流無刷（BLDC）電機被廣泛應用于各種場合。為了提高電機的驅動效率，通常需要一個復雜的控制流程，東芝提供的電機驅動控制電路解決方案可以簡化這一流程。為了適應各種不同的應用需求，東芝開發(fā)了豐富的無刷直流電機控制驅動相關產品線，包括MCU、MCD、IPD以及用于輸出驅動的分立器件，如MOSFET、IGBT以及第三代半導體的SiC產品。特別是在MCD產品中包含了驅動電路型MCD、預驅電路型MCD、控制器型MCD以及柵極驅動電路型MCD等四種類型，根據(jù)應用場景的不同，可選用不同的電路配置以滿足不同的需求。

圖 四種不同類型的直流無刷電機控制原理

電機控制驅動電路配置的最后一種類型采用的是：MCU+柵極驅動電路+輸出電路的形式。MCU是電機控制的核心單元，為了提高電機控制的精度和速度，矢量引擎被廣泛采用，傳統(tǒng)的矢量控制需要消耗大量的軟件資源。如果矢量控制軟件占用了嵌入式存儲器的主要容量，那么因軟件資源不足會導致微控制器不能有效地工作。東芝在微控制器中引入了1 個硬件IP，它能在沒有CPU詳細指令的情況下處理矢量控制中的復雜計算。硬件IP 是矢量引擎。矢量引擎執(zhí)行從3 相到2 相的轉換、旋轉坐標轉換和反向轉換，它們是矢量控制中的主要計算。在矢量控制中與矢量引擎配合使用將會大大提高微控制器的性能。

近年來，隨著社會對電動汽車需求的增長，產業(yè)對能滿足車載設備更大功耗的元器件的需求也在增加。新品采用了東芝的新型L-TOGL封裝，支持大電流、低導通電阻和高散熱。上述產品未采用內部接線柱結構，通過引入1 個銅夾片將源極連接件和外部引腳一體化。源極引腳采用多針結構，與現(xiàn)有的TO-220SM(W) 封裝相比，封裝電阻下降大約30%，從而將XPQR3004PB的漏極額定電流（DC）提高到400 A，高出當前產品1.6倍。厚銅框的使用使XPQR3004PB 內的溝道到外殼熱阻降低到當前產品的50%。這些特性有利于實現(xiàn)更大的電流，并降低車載設備的損耗。

憑借新型封裝技術，新產品可進一步簡化散熱設計，顯著減少半導體繼電器和一體化起動發(fā)電機變頻器等需要大電流的應用所需的MOSFET的數(shù)量，進而幫助系統(tǒng)縮小設備尺寸。當需要并聯(lián)多個器件為應用提供更大工作電流時，東芝支持這兩款新品分組出貨，即按柵極閾值電壓對產品分組。這樣可以確保設計使用同一組別的產品，從而減少特性偏差。

因為車載設備可能工作在各種溫度環(huán)境下，所以表面貼裝的焊點可靠性是一個需要考慮的關鍵因素。新品采用鷗翼式引腳降低貼裝應力，提高焊點可靠性。

在碳化硅產品上，東芝已經推出了3 代產品，第三代碳化硅SiC MOSFET 推出電壓分別為650 V 和1 200 V 的兩款系列產品。與第二代產品一樣，東芝新三代MOSFET 內置了與SiC MOSFET 內部PN 結二極管并聯(lián)的SiC 肖特基勢壘二極管（SBD），其正向電壓（V_F）低至-1.35 V（典型值），以抑制R_DS(on)波動，從而提高可靠性。此外，與第2 代產品相比，東芝先進的SiC 工藝顯著改善了單位面積導通電阻RonA，以及代表開關特性的性能指標Ron*Qgd。此外，極驅動電路設計簡單，可防止開關噪聲引起的故障。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年3月期）