隨著(zhù)新能源汽車(chē)和電動(dòng)飛機概念的興起,在可預見(jiàn)的未來(lái)里,電能都將會(huì )是人類(lèi)社會(huì )發(fā)展的主要能源。然而,隨著(zhù)電氣化在各行各業(yè)的滲透率不斷提升,每年全社會(huì )對電能的消耗量都是一個(gè)天文數字。比如在中國,根據國家能源局發(fā)布的數據,2022年全社會(huì )用電量86,372億千瓦時(shí),同比增長(cháng)3.6%;其中,高速發(fā)展的新能源汽車(chē)在整車(chē)制造方面,用電量大幅增長(cháng)71.1%。![]() 圖1:全社會(huì )用電量統計(圖源:貿澤電子) 各行業(yè)電氣化進(jìn)程逐漸深入后,我們也必須要考慮到一個(gè)嚴峻的問(wèn)題,那就是節能。當前,任何一種用電設備在設計之初,都會(huì )將高能效和低能耗作為兩大核心性能,變頻空調、變頻冰箱等就是其中典型的例子。 要想讓設備不斷實(shí)現更好的節能指標,用功率器件取代傳統開(kāi)關(guān)是必要的一步?梢哉f(shuō),功率器件創(chuàng )新的方向就是為了打造更節能的社會(huì )。在這里,我們將重點(diǎn)為大家推薦幾款貿澤電子官網(wǎng)在售的功率器件,讓大家有一個(gè)直觀(guān)的感受:功率器件能夠幫助大家成為節能達人。 降功耗、提密度是IGBT的優(yōu)勢 功率器件是半導體行業(yè)里面的一個(gè)重要分支,大量應用于消費電子、工業(yè)控制、交通能源、電力電網(wǎng)和航空航天等領(lǐng)域。從具體的設備來(lái)看,小到個(gè)人用手機和電腦的電源,大到電動(dòng)汽車(chē)、高速列車(chē)、電網(wǎng)的逆變器,基本都是以功率器件為核心設計實(shí)現的。 在功率器件普及之前,各行各業(yè)靠低效、笨重的開(kāi)關(guān)來(lái)控制電能,功率器件可以通過(guò)切換電路來(lái)控制電流,從而取代開(kāi)關(guān)。相較而言,功率器件的優(yōu)勢包括開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)損耗小、通態(tài)壓降小、耐高溫高壓,以及功率密度高等。功率器件的典型性能優(yōu)勢決定了,這些器件能夠從設備運轉、設備待機和設備體積等多方面實(shí)現能耗的降低。 功率器件主要分為二極管、三極管、晶閘管、MOSFET和IGBT等。其中,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)是MOSFET(場(chǎng)效應晶體管)和BJT(Bipolar Junction Transistor,雙極晶體管)的結合體,因此既有MOSFET的優(yōu)勢,也有BJT的優(yōu)勢。綜合而言,IGBT的優(yōu)勢包括高電流、高電壓、高效率、漏電流小、驅動(dòng)電流小、開(kāi)關(guān)速度快等,被廣泛應用于電力控制系統中。 在低碳浪潮中,IGBT受到了熱捧,其不僅器件可靠性更高,并且相較于傳統的MOSFET、BJT,擁有更低的漏電流,因此器件損耗更低,在具體的使用過(guò)程中,借助IGBT只需要一個(gè)小的控制信號就能夠控制很大的電流和電壓,在節能的同時(shí)也顯著(zhù)提高了系統的效率。目前,IGBT器件依然在借助新工藝和新模塊方案來(lái)進(jìn)一步降低系統的能耗。 接下來(lái)我們將為大家重點(diǎn)介紹一款I(lǐng)GBT智能功率模塊(IPM),來(lái)自制造商ROHM Semiconductor,貿澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為BM63574S-VC。 ![]() 圖2:BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模塊(圖源:貿澤電子) BM63574S-VC是整個(gè)BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模塊陣營(yíng)中的其中一款,這些IGBT IPM產(chǎn)品由柵極驅動(dòng)器、自舉二極管、IGBT和再生用快速反向恢復二極管組成,工作電壓為600V,可支持的集電極電流最高可至30A。 通過(guò)下圖可以看到,這些600V IGBT IPM具有三相DC/AC逆變器、低側IGBT柵極驅動(dòng)器(LVIC)、高側IGBT門(mén)驅動(dòng)等功能單元。其中,低側IGBT柵極驅動(dòng)器除了承擔驅動(dòng)電路的角色,還提供短路電流保護(SCP)、控制電源欠壓鎖定(UVLO)、熱關(guān)斷(TSD)、模擬信號溫度輸出(VOT)等保護功能;高側IGBT門(mén)驅動(dòng)器(HVIC)基于SOI(絕緣體上硅)工藝,除了本身的驅動(dòng)電路,還提供高電壓電平轉換、自舉二極管的電流限制、控制電源欠壓鎖定(UVLO)等功能。 ![]() 圖3:BM6337x/BM6357x IGBT 智能功率模塊系統框圖(圖源:ROHM Semiconductor) 可以說(shuō),BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模塊除了發(fā)揮IGBT本身的優(yōu)勢之外,也進(jìn)行了很多針對性的創(chuàng )新。比如,在高側IGBT門(mén)驅動(dòng)器上采用SOI工藝,提高了開(kāi)關(guān)頻率和功率密度,降低了系統功耗,并簡(jiǎn)化了電路設計;高側IGBT門(mén)驅動(dòng)器中內置自舉二極管,可由自舉二極管供電,節省PCB面積并減少元件數量;另外,高側和低側IGBT門(mén)驅動(dòng)器均有欠壓鎖定功能,能夠防止IGBT模塊工作在低效或危險狀態(tài)。 ![]() 圖4:BM6337x/BM6357x IGBT 智能功率模塊典型應用電路(圖源:ROHM Semiconductor) 這些600V IBGT IPM非常適用于A(yíng)C100至240Vrms(直流電壓:小于400V)類(lèi)電機控制應用以及空調、洗衣機或冰箱用壓縮機或電機控制等其他應用。 SiC讓節能增效更進(jìn)一步 從產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀來(lái)看,目前硅是制造芯片和半導體器件最廣泛的原材料,絕大多數的器件都是基于硅材料制造。不過(guò),由于硅材料本身的限制,因此相關(guān)器件在高頻和高功率應用方面愈發(fā)乏力,以SiC(碳化硅)為代表的第三代半導體大功率電力電子器件則是一個(gè)很好的補充。 根據市場(chǎng)調研機構Yole的統計數據,2021年全球SiC功率器件市場(chǎng)規模為10.90億美元,預計2027年市場(chǎng)規模將達到62.97億美元。之所以能夠有如此快速的增長(cháng),離不開(kāi)SiC功率器件的優(yōu)良性能。SiC功率器件又被稱(chēng)為“綠色能源器件”,可顯著(zhù)降低電子設備的能耗。 ![]() 圖5:全球SiC功率器件市場(chǎng)規模(圖源:Yole) 綜合而言,SiC功率器件有三大方面的性能優(yōu)勢。 其一是材料本身,作為寬禁帶半導體材料的代表,SiC具備良好的耐高溫性、耐高壓性和抗輻射性,顯著(zhù)提升器件功率密度; 其二是SiC功率器件擁有高擊穿電場(chǎng)強度特性,有助于提高器件的功率范圍,降低通電電阻,使其具備耐高壓性和低能耗性; 其三是高飽和電子漂移速率特性,意味著(zhù)更低的電阻,得以顯著(zhù)降低能量損失,簡(jiǎn)化周邊被動(dòng)器件。也就是說(shuō),無(wú)論是器件本身,還是基于SiC功率器件構建的電力系統,都會(huì )具備高能效、高功率密度的顯著(zhù)優(yōu)勢。 下面我們就來(lái)為大家推薦一款具備上述優(yōu)勢性能的SiC功率器件,來(lái)自制造商ROHM Semiconductor,貿澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為SCT3060ARC14,屬于ROHM Semiconductor SiC 4引腳溝槽式MOSFET中的一款。 ![]() 圖6:ROHM Semiconductor SiC 4引腳溝槽式MOSFET(圖源:貿澤電子) ROHM Semiconductor SiC 4引腳溝槽式MOSFET原理上在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生拖尾電流,可高速運行且開(kāi)關(guān)損耗低。因此與傳統的硅解決方案相比,SiC MOSFET具有更低的導通電阻和更快的恢復速度。 這些SiC MOSFET采用TO-247-4L封裝,這是一種高效的封裝方式,具有獨立的電源和驅動(dòng)器源極引腳,通過(guò)開(kāi)爾文源極引腳將柵極驅動(dòng)回路與電源端子分開(kāi)。因此,由于源電流的上升,導通過(guò)程不會(huì )因電壓下降而減慢,從而進(jìn)一步顯著(zhù)降低導通損耗。 ![]() 圖7:ROHM Semiconductor SiC 4引腳溝槽式MOSFET引腳示意圖(圖源:ROHM Semiconductor) 這些SiC MOSFET提供650V和1200V兩種型號,是服務(wù)器電源、太陽(yáng)能逆變器和電動(dòng)汽車(chē)充電樁的理想選擇,當然也可以將其應用于DC-DC轉換器、開(kāi)關(guān)電源和感應加熱等應用方向。 傳統功率器件的節能趨勢 上面我們已經(jīng)提到了,功率器件的種類(lèi)非常豐富,為了滿(mǎn)足行業(yè)對節能增效的需求,不只是IGBT和SiC MOSFET這樣的熱門(mén)器件在不斷更新迭代,傳統功率器件也在進(jìn)行積極創(chuàng )新。 目前,功率器件的創(chuàng )新點(diǎn)有很多。比如SiC和GaN(氮化鎵)這些屬于材料級別的創(chuàng )新;也有結構和工藝的創(chuàng )新,異質(zhì)結構器件、復合型器件、磁隔離型器件等都是較新的器件結構,制造工藝和封裝工藝也在不斷升級;當然,還有智能化和可重構的趨勢,讓功率器件的使用可以更加靈活。 接下來(lái)我們通過(guò)一顆具體的器件來(lái)看一下,該器件來(lái)自制造商Nexperia,貿澤電子官網(wǎng)上的料號為BC857BW-QX。 ![]() 圖8:BC857BW-QX(圖源:貿澤電子) BC857BW-QX為一款PNP通用晶體管,其具有低電流和低電壓特性,最大電流為100mA,最大電壓為65V,可以幫助系統具備低功耗的優(yōu)勢。 除了器件本身的特性,BC857BW-QX在封裝方式上采用SOT323表面貼裝的方式,這是一種非常小的封裝方式,并且由過(guò)去數十年來(lái)一直使用的SOT23封裝發(fā)展而來(lái),因此具備小型化和高可靠的優(yōu)勢。所以,從器件本身來(lái)說(shuō),BC857BW-QX是一顆小型化和低功耗的器件,也能夠在系統中發(fā)揮同樣的優(yōu)勢,幫助打造高功率密度的產(chǎn)品。 BC857BW-QX符合AEC-Q101車(chē)規級認證,適用于汽車(chē)應用中的開(kāi)關(guān)和放大應用。 智能化和可重構是未來(lái)的大趨勢 上述內容我們主要通過(guò)功率器件的材料、結構、封裝和模塊等方向來(lái)闡述功率器件的低功耗發(fā)展趨勢,這樣的性能優(yōu)勢讓大家在使用過(guò)程中,可以較為從容地應對越來(lái)越嚴苛的高能效要求,成為社會(huì )應用創(chuàng )新中的節能達人。 面向未來(lái),除了從器件本身和應用電路方面繼續突破以外,功率器件也必須要更重視和人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結合,需要具有智能化和可重構的特點(diǎn),以適應智能化、自適應的電力電子應用。當具備這樣的優(yōu)勢之后,功率器件將能夠賦能更多的終端領(lǐng)域,開(kāi)啟節能、高效、智能的新時(shí)代。 |