從硅到碳化硅，更高能效是功率器件始終的追求
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
隨著新能源汽車和電動飛機(jī)概念的興起，在可預(yù)見的未來里，電能都將會是人類社會發(fā)展的主要能源。然而，隨著電氣化在各行各業(yè)的滲透率不斷提升，每年全社會對電能的消耗量都是一個天文數(shù)字。比如在中國，根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2022年全社會用電量86,372億千瓦時，同比增長3.6%；其中，高速發(fā)展的新能源汽車在整車制造方面，用電量大幅增長71.1%。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202309/450332.htm
圖1：全社會用電量統(tǒng)計
（圖源：貿(mào)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嚴(yán)峻的問題，那就是節(jié)能。當(dāng)前，任何一種用電設(shè)備在設(shè)計之初，都會將高能效和低能耗作為兩大核心性能，變頻空調(diào)、變頻冰箱等就是其中典型的例子。
要想讓設(shè)備不斷實現(xiàn)更好的節(jié)能指標(biāo)，用功率器件取代傳統(tǒng)開關(guān)是必要的一步?？梢哉f，功率器件創(chuàng)新的方向就是為了打造更節(jié)能的社會。在這里，我們將重點為大家推薦幾款貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的功率器件，讓大家有一個直觀的感受：功率器件能夠幫助大家成為節(jié)能達(dá)人。
降功耗、提密度是IGBT的優(yōu)勢
功率器件是半導(dǎo)體行業(yè)里面的一個重要分支，大量應(yīng)用于消費(fèi)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(shè)備來看，小到個人用手機(jī)和電腦的電源，大到電動汽車、高速列車、電網(wǎng)的逆變器，基本都是以功率器件為核心設(shè)計實現(xiàn)的。
在功率器件普及之前，各行各業(yè)靠低效、笨重的開關(guān)來控制電能，功率器件可以通過切換電路來控制電流，從而取代開關(guān)。相較而言，功率器件的優(yōu)勢包括開關(guān)速度快、開關(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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)備待機(jī)和設(shè)備體積等多方面實現(xiàn)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（場效應(yīng)晶體管）和BJT（Bipolar Junction Transistor，雙極晶體管）的結(jié)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(qū)動電流小、開關(guān)速度快等，被廣泛應(yīng)用于電力控制系統(tǒng)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(tǒng)的MOSFET、BJT，擁有更低的漏電流，因此器件損耗更低，在具體的使用過程中，借助IGBT只需要一個小的控制信號就能夠控制很大的電流和電壓，在節(jié)能的同時也顯著提高了系統(tǒng)的效率。目前，IGBT器件依然在借助新工藝和新模塊方案來進(jìn)一步降低系統(tǒng)的能耗。
接下來我們將為大家重點介紹一款I(lǐng)GBT智能功率模塊（IPM），來自制造商ROHM Semiconductor，貿(mào)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(mào)澤電子）
BM63574S-VC是整個BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模塊陣營中的其中一款，這些IGBT IPM產(chǎn)品由柵極驅(qū)動器、自舉二極管、IGBT和再生用快速反向恢復(fù)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。
通過下圖可以看到，這些600V IGBT IPM具有三相DC/AC逆變器、低側(cè)IGBT柵極驅(qū)動器（LVIC）、高側(cè)IGBT門驅(qū)動等功能單元。其中，低側(cè)IGBT柵極驅(qū)動器除了承擔(dān)驅(qū)動電路的角色，還提供短路電流保護(hù)（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(hù)功能；高側(cè)IGBT門驅(qū)動器（HVIC）基于SOI（絕緣體上硅）工藝，除了本身的驅(qū)動電路，還提供高電壓電平轉(zhuǎn)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(tǒng)框圖
（圖源：ROHM Semiconductor）
可以說，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(cè)IGBT門驅(qū)動器上采用SOI工藝，提高了開關(guān)頻率和功率密度，降低了系統(tǒng)功耗，并簡化了電路設(shè)計；高側(cè)IGBT門驅(qū)動器中內(nèi)置自舉二極管，可由自舉二極管供電，節(jié)省PCB面積并減少元件數(shù)量；另外，高側(cè)和低側(cè)IGBT門驅(qū)動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(yīng)用電路
（圖源：ROHM Semiconductor）
這些600V IBGT IPM非常適用于AC100至240Vrms（直流電壓：小于400V）類電機(jī)控制應(yīng)用以及空調(diào)、洗衣機(jī)或冰箱用壓縮機(jī)或電機(jī)控制等其他應(yīng)用。
SiC讓節(jié)能增效更進(jìn)一步
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前硅是制造芯片和半導(dǎo)體器件最廣泛的原材料，絕大多數(shù)的器件都是基于硅材料制造。不過，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(yīng)用方面愈發(fā)乏力，以SiC（碳化硅）為代表的第三代半導(dǎo)體大功率電力電子器件則是一個很好的補(bǔ)充。
根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年全球SiC功率器件市場規(guī)模為10.90億美元，預(yù)計2027年市場規(guī)模將達(dá)到62.97億美元。之所以能夠有如此快速的增長，離不開SiC功率器件的優(yōu)良性能。SiC功率器件又被稱為“綠色能源器件”，可顯著降低電子設(shè)備的能耗。
圖5：全球SiC功率器件市場規(guī)模
（圖源：Yole）
綜合而言，SiC功率器件有三大方面的性能優(yōu)勢。
#1 其一是材料本身，作為寬禁帶半導(dǎo)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，顯著提升器件功率密度；
#2 其二是SiC功率器件擁有高擊穿電場強(qiáng)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；
#3 其三是高飽和電子漂移速率特性，意味著更低的電阻，得以顯著降低能量損失，簡化周邊被動器件。也就是說，無論是器件本身，還是基于SiC功率器件構(gòu)建的電力系統(tǒng)，都會具備高能效、高功率密度的顯著優(yōu)勢。
下面我們就來為大家推薦一款具備上述優(yōu)勢性能的SiC功率器件，來自制造商ROHM Semiconductor，貿(mào)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(mào)澤電子）
ROHM Semiconductor SiC 4引腳溝槽式MOSFET原理上在開關(guān)過程中不會產(chǎn)生拖尾電流，可高速運(yùn)行且開關(guān)損耗低。因此與傳統(tǒng)的硅解決方案相比，SiC MOSFET具有更低的導(dǎo)通電阻和更快的恢復(fù)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(dú)立的電源和驅(qū)動器源極引腳，通過開爾文源極引腳將柵極驅(qū)動回路與電源端子分開。因此，由于源電流的上升，導(dǎo)通過程不會因電壓下降而減慢，從而進(jìn)一步顯著降低導(dǎo)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、太陽能逆變器和電動汽車充電樁的理想選擇，當(dāng)然也可以將其應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源和感應(yīng)加熱等應(yīng)用方向。
傳統(tǒng)功率器件的節(jié)能趨勢
上面我們已經(jīng)提到了，功率器件的種類非常豐富，為了滿足行業(yè)對節(jié)能增效的需求，不只是IGBT和SiC MOSFET這樣的熱門器件在不斷更新迭代，傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)和工藝的創(chuàng)新，異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件、復(fù)合型器件、磁隔離型器件等都是較新的器件結(jié)構(gòu)，制造工藝和封裝工藝也在不斷升級；當(dāng)然，還有智能化和可重構(gòu)的趨勢，讓功率器件的使用可以更加靈活。
接下來我們通過一顆具體的器件來看一下，該器件來自制造商N(yùn)experia，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為BC857BW-QX。
圖8：BC857BW-QX
（圖源：貿(mào)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(tǒng)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，并且由過去數(shù)十年來一直使用的SOT23封裝發(fā)展而來，因此具備小型化和高可靠的優(yōu)勢。所以，從器件本身來說，BC857BW-QX是一顆小型化和低功耗的器件，也能夠在系統(tǒng)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車規(guī)級認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用中的開關(guān)和放大應(yīng)用。
智能化和可重構(gòu)是未來的大趨勢
上述內(nèi)容我們主要通過功率器件的材料、結(jié)構(gòu)、封裝和模塊等方向來闡述功率器件的低功耗發(fā)展趨勢，這樣的性能優(yōu)勢讓大家在使用過程中，可以較為從容地應(yīng)對越來越嚴(yán)苛的高能效要求，成為社會應(yīng)用創(chuàng)新中的節(jié)能達(dá)人。
面向未來，除了從器件本身和應(yīng)用電路方面繼續(xù)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(jié)合，需要具有智能化和可重構(gòu)的特點，以適應(yīng)智能化、自適應(yīng)的電力電子應(yīng)用。當(dāng)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，開啟節(jié)能、高效、智能的新時代。
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