工業(yè)和汽車用功率半導體：哪些應用是新風向標？

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

　　1 工業(yè)機遇：可再生能源發(fā)電、電機驅(qū)動、EV充電樁

　　工業(yè)市場正處于基礎設施革命之中，舊的機械系統(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。各國政府了解這些電子系統(tǒng)的重大影響，并實施政策和法規(guī)以加速轉(zhuǎn)變。

　　從功率如何產(chǎn)生開始，傳統(tǒng)方法如燃煤電廠在迅速轉(zhuǎn)向由太陽能和風能的替代能源。這種轉(zhuǎn)變比預期的快很多，使各國政府要制定進取的目標。例如，中國國家發(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。這場能源革命給功率半導體帶來很大的商機，一個太陽能逆變器中的功率半導體含量可從燃煤發(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)向替代能源有個主要的缺點：峰值能量產(chǎn)生并不同時與峰值能量消耗發(fā)生。這為功率半導體在能量存儲系統(tǒng)(ESS)中的應用創(chuàng)造了額外的商機，以解決這一缺陷。一個典型ESS的功率半導體含量約為836美元。

　　功率半導體不僅用于減少發(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。采用IGBT模塊控制電機速度的新變速驅(qū)動(VSD)可降低60%的能耗。這些VSD的功率等級范圍很廣，平均功率半導體含量約為40美元。但普通電機沒有功率半導體。這種轉(zhuǎn)變正在迅速發(fā)生，因為可為政府和制造商帶來經(jīng)濟效益和環(huán)保成效。如果全球到2030年完全轉(zhuǎn)用VSD電機，那將總節(jié)省超過1.7萬億美元，或相等于世界上安裝的核電站的所有能源輸出。

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

　　1.1 安森美半導體的相關(guān)產(chǎn)品

　　安森美半導體提供寬廣的尖端功率半導體陣容，可充分發(fā)揮在快速增長工業(yè)市場的優(yōu)勢，包括領先行業(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整流等應用。在高電壓領域，有具備領先的650V和1200 V IGBT技術(shù)。IGBT是上述大多數(shù)應用的核心。

　　安森美半導體集結(jié)這些領先行業(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，廣泛用于電機驅(qū)動，使用領先的分立IGBT技術(shù)。在轉(zhuǎn)向更高的功率等級方面，公司提供功率集成模塊(PIM)，把IGBT、FET、二極管和碳化硅(SiC)器件集成在一個模塊中。公司的PIM在太陽能逆變器市場占有很大的份額，并擴展到上述其他市場。

　　今天，僅僅在傳統(tǒng)的硅分立和模塊技術(shù)領先是不夠的，領先的功率半導體制造商還需具備寬禁帶(WBG)技術(shù)。安森美半導體有強大的650 V和1200 V節(jié)點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。

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

　　2 48 V汽車功能電子化

　　汽車應用持續(xù)穩(wěn)定增長，隨著一些電動汽車和混動汽車的推出，48 V汽車功能電子化市場需求大增。

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

　　這些48 V系統(tǒng)給車輛增加顯著的電力電子成分。首先，ISG含一個多相功率半導體橋(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，如門極驅(qū)動IC、電流檢測放大器和其他緩沖或瞬態(tài)抑制器件。48 V車輛還需要一個電源轉(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執(zhí)行這一功能。其他48 V子系統(tǒng)也在不斷推出，如電動渦輪增壓 器 或 電 動 增 壓器，其設計中具有顯著的電力電子含量。

　　2.1 安森美半導體的相關(guān)優(yōu)勢

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

　　寬禁帶在碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率器件取得進展，在半導體領域是非常新的，已廣泛用于商業(yè)和工業(yè)應用?，F(xiàn)已在汽車細分市場越來越受歡迎，因為它們能提高許多高功率汽車系統(tǒng)的能效、并以高得多的速度工作。其更高的開關(guān)速度勝于典型的“硅”器件。在現(xiàn)代汽車成本中，尤其注重重量和體積，促成車輛的電子和電力電子系統(tǒng)的激增。

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