內(nèi)置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉(zhuǎn)換器IC，助推工廠智能化

本文的關(guān)鍵要點(diǎn)

各行各業(yè)的工廠都在擴(kuò)大生產(chǎn)線(xiàn)的智能化程度，在生產(chǎn)線(xiàn)上的裝置和設(shè)備旁邊導(dǎo)入先進(jìn)信息通信設(shè)備的工廠越來(lái)越多。

要將高壓工業(yè)電源線(xiàn)的電力轉(zhuǎn)換為信息通信設(shè)備用的電力，需要輔助設(shè)備用的高效率電源，而采用內(nèi)置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉(zhuǎn)換器IC可以輕松構(gòu)建這種高效率的輔助電源。

各行各業(yè)加速推進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)的智能化

如今，從汽車(chē)、半導(dǎo)體到食品、藥品和化妝品等眾多行業(yè)的工廠，既需要進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，還需要推進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)（降低功耗和減少溫室氣體排放）。

在以往的制造業(yè)中，提高工廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)一直是重中之重。然而，近年來(lái)，對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)碳社會(huì)所做的貢獻(xiàn)不僅成為評(píng)估一個(gè)企業(yè)社會(huì)貢獻(xiàn)程度的視角，也成為引進(jìn)碳定價(jià)機(jī)制乃至市場(chǎng)準(zhǔn)入條件，成為左右商業(yè)往來(lái)和企業(yè)價(jià)值的重點(diǎn)項(xiàng)目。

但是，在提高生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)推進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)并非易事。為了滿(mǎn)足這種高難度的時(shí)代需求，很多工廠開(kāi)始引進(jìn)更智能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（圖1）。這種系統(tǒng)通過(guò)在生產(chǎn)線(xiàn)上的每個(gè)裝置和設(shè)備上都安裝傳感器，收集各種數(shù)據(jù)，將裝置和設(shè)備的運(yùn)行情況、健康狀態(tài)、以及成品和在制品的進(jìn)度等可視化，并利用人工智能（AI）和大數(shù)據(jù)分析等手段來(lái)根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)優(yōu)化操作條件。

圖1. 為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量并促進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)的智能化進(jìn)程加速

供電手段是工廠引進(jìn)信息通信設(shè)備時(shí)的課題之一

為了讓生產(chǎn)線(xiàn)更加智能，在生產(chǎn)線(xiàn)上安裝的信息通信設(shè)備和控制設(shè)備（比如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）等變得比以往更加多樣化。通常，在工廠中，大多用于生產(chǎn)的各種裝置和設(shè)備會(huì)被緊密地布置在工廠車(chē)間的地面上。在推進(jìn)工廠智能化的過(guò)程中，如何在現(xiàn)有布局中找到空隙以及如何加裝眾多信息通信用的輔助設(shè)備，是很大的挑戰(zhàn)。其中，難題之一是如何為分散布置的輔助設(shè)備高效率地供電。

如果工廠內(nèi)用來(lái)傳輸傳感器所獲取數(shù)據(jù)的信息網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線(xiàn)方式，那么將無(wú)需鋪設(shè)電纜。然而，電源線(xiàn)的情況就不一樣了。一般來(lái)講，構(gòu)成制造設(shè)備的大輸出功率電機(jī)和加熱器等設(shè)備，需要使用至少200V的交流（AC）電源驅(qū)動(dòng)，而大多數(shù)情況下需要使用AC400V的電源驅(qū)動(dòng)。但是，由于以半導(dǎo)體為核心器件的輔助設(shè)備使用的是5V～48V的直流（DC）電源，因此需要在已安裝的裝置和設(shè)備用的電源之外另行配置電源。

智能化生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)AC-DC轉(zhuǎn)換器的要求

為輔助設(shè)備配置電源的最簡(jiǎn)單方法是從現(xiàn)有的電源線(xiàn)（例如AC400V電源線(xiàn)）獲取電力，然后使用AC-DC轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為5V～48V的DC電源（圖2）。但由于信息通信用的輔助設(shè)備畢竟只是附屬設(shè)備，為了避免打亂工廠內(nèi)的設(shè)備布局或增加功耗，對(duì)輔助電源所用的AC-DC轉(zhuǎn)換器提出了以下技術(shù)要求：

圖2. 輔助電源用AC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用及其技術(shù)要求

首先是體積必須很小。理想的做法是能夠?qū)?gòu)成AC-DC轉(zhuǎn)換器的功率元器件和驅(qū)動(dòng)器IC等半導(dǎo)體集成在一個(gè)封裝中。另外，要通過(guò)提高AC-DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈和電容器等轉(zhuǎn)換器組成元器件的小型化；還要通過(guò)使用低損耗和耐熱性?xún)?yōu)異的功率元器件，來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱機(jī)構(gòu)的小型化。

其次是高可靠性。生產(chǎn)線(xiàn)上的設(shè)備使用條件嚴(yán)苛，一旦發(fā)生故障，就可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)一體化封裝來(lái)降低元器件故障風(fēng)險(xiǎn)、并配備各種保護(hù)功能是非常必要的做法。

最后是必須具有高效率和低損耗特點(diǎn)。本來(lái)是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)碳生產(chǎn)才推動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的智能化，但如果因此而使用的輔助電源消耗了大量電力，那就是本末倒置了。一些工業(yè)設(shè)備已經(jīng)配備了用來(lái)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備的輔助電源。然而，在很多情況下，這些輔助電源使用了耐壓能力低或損耗大的功率元器件，而這就意味著它們會(huì)消耗超出預(yù)期的電力。未來(lái)，要應(yīng)對(duì)AC400V以上的電源，必須要使用專(zhuān)門(mén)為此經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的功率元器件。

在AC-DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用SiC MOSFET的意義和挑戰(zhàn)

隨著新的半導(dǎo)體技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用，包括AC-DC轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的各種功率轉(zhuǎn)換電路可顯著提高效率并進(jìn)一步小型化。這是一種將以往主流的Si（硅）半導(dǎo)體襯底材料替換為SiC（碳化硅）的功率元器件。

通過(guò)將導(dǎo)通損耗低、開(kāi)關(guān)損耗低且耐熱性能優(yōu)異的SiC MOSFET應(yīng)用在功率轉(zhuǎn)換電路的開(kāi)關(guān)中，可以構(gòu)建無(wú)需散熱器的高輸出功率AC-DC轉(zhuǎn)換器。而且這種產(chǎn)品還支持高頻驅(qū)動(dòng)。利用SiC基功率元器件，可以滿(mǎn)足工廠智能化過(guò)程中對(duì)AC-DC轉(zhuǎn)換器的很多技術(shù)要求。

不過(guò)，為了更大程度地發(fā)揮出其出色的潛力，還需要配備專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET而優(yōu)化過(guò)的驅(qū)動(dòng)器IC等器件?，F(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器IC是針對(duì)Si基功率元器件的特性進(jìn)行優(yōu)化的，無(wú)法直接應(yīng)用于SiC基功率元器件。

ROHM內(nèi)置SiC MOSFET的AC-DC轉(zhuǎn)換器的性能和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

ROHM推出了內(nèi)置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉(zhuǎn)換器IC“BM2SC12ｘFP2-LBZ”，適用于輔助電源等應(yīng)用。該芯片是將1200V以上高耐壓MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)器IC一體化封裝的全球初創(chuàng)產(chǎn)品。通過(guò)將采用了Si MOSFET的AC-DC轉(zhuǎn)換器所需的12個(gè)獨(dú)立芯片集成于一個(gè)封裝中，大幅減少了元器件數(shù)量（圖3）。

圖3. 將輔助電源用AC-DC轉(zhuǎn)換器所需的12個(gè)元器件集成于一個(gè)封裝中

另外，通過(guò)采用該產(chǎn)品，客戶(hù)將能夠以更短的開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)高效率、高可靠性的小型AC-DC轉(zhuǎn)換器。不僅如此，通過(guò)內(nèi)置SiC MOSFET，還可以配備高精度的過(guò)熱保護(hù)、過(guò)負(fù)載保護(hù)（FB OLP）、電源電壓引腳的過(guò)電壓保護(hù)（VCC OVP）、過(guò)電流保護(hù)、二次側(cè)電壓的過(guò)電壓保護(hù)等功能，可靠性更高，適用于需要連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備的輔助電源。

此外，ROHM還利用其在SiC MOSFET領(lǐng)域積累的深厚的技術(shù)實(shí)力，針對(duì)工業(yè)設(shè)備輔助電源應(yīng)用優(yōu)化了柵極驅(qū)動(dòng)器IC的規(guī)格。AC-DC轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率從使用Si基MOSFET時(shí)的78.5%提高到83.5%，提升效果顯著?？刂齐娐凡捎脺?zhǔn)諧振方式，與普通的PWM方式相比，可以實(shí)現(xiàn)更低的噪聲和更高的工作效率，從而可以更大程度地減少噪聲對(duì)工業(yè)設(shè)備的影響。

可以說(shuō)，ROHM的BM2SC12ｘFP2-LBZ對(duì)于構(gòu)建旨在提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)并推進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)的智能生產(chǎn)線(xiàn)而言，是必不可少的產(chǎn)品，也是應(yīng)用效果非常出色的產(chǎn)品。