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從硅到碳化硅,更高能效是功率器件始終的追求

發(fā)布時間:2023-10-09 來源:Mouser 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著新能源汽車和電動飛機概念的興起,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%。


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圖1:全社會用電量統(tǒng)計

(圖源:貿(mào)澤電子)


各行業(yè)電氣化進程逐漸深入后,我們也必須要考慮到一個嚴峻的問題,那就是節(jié)能。當前,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,用功率器件取代傳統(tǒng)開關(guān)是必要的一步。可以說,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)備運轉(zhuǎn)、設(shè)備待機和設(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。


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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)動器除了承擔驅(qū)動電路的角色,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(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。


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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)。


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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)類電機控制應(yīng)用以及空調(diào)、洗衣機或冰箱用壓縮機或電機控制等其他應(yīng)用。


SiC讓節(jié)能增效更進一步


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充。


根據(jù)市場調(diào)研機構(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。


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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。


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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,從而進一步顯著降低導(dǎo)通損耗。


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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Nexperia,貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為BC857BW-QX。


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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)對越來越嚴苛的高能效要求,成為社會應(yīng)用創(chuàng)新中的節(jié)能達人。


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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