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工业和汽车用功率半导体:哪些应用是新风向标?

作者:迎九时间:2019-04-28来源:电子产品世界收藏

  近日,工业和汽车部向《电子产品世界》介绍了两大产业的应用热点,及该公司的解决方案。

本文引用地址:article/201904/400029.htm

  1 工业机遇:可再生能源发电、电机驱动、

  工业市场正处于基础设施革命之中,旧的机械系统正被电子系统取代。这些电子系统显著提高能效,减少世界碳排放。各国政府了解这些电子系统的重大影响,并实施政策和法规以加速转变。

  从功率如何产生开始,传统方法如燃煤电厂在迅速转向由太阳能和风能的替代能源。这种转变比预期的快很多,使各国政府要制定进取的目标。例如,中国国家发改委提出了在2030年前将可再生能源发电比例从20%提升到35%的发展目标。这场能源革命给功率半导体带来很大的商机,一个太阳能逆变器中的功率半导体含量可从燃煤发电厂的0美元升到650美元。这650美元的含量主要是IGBT功率模块,用于将太阳能面板的DC电压升压到较高电压,然后用另一IGBT模块转换为AC电压供给电网。

  转向替代能源有个主要的缺点:峰值能量产生并不同时与峰值能量消耗发生。这为功率半导体在能量存储系统(ESS)中的应用创造了额外的商机,以解决这一缺陷。一个典型ESS的功率半导体含量约为836美元。

  功率半导体不仅用于减少发电中的碳排放,且用于有效地利用所产生的功率。最有力的例子是消耗全世界约45%能源的工业电机。采用IGBT模块控制电机速度的新变速驱动(VSD)可降低60%的能耗。这些VSD的功率等级范围很广,平均功率半导体含量约为40美元。但普通电机没有功率半导体。这种转变正在迅速发生,因为可为政府和制造商带来经济效益和环保成效。如果全球到2030年完全转用VSD电机,那将总节省超过1.7万亿美元,或相等于世界上安装的核电站的所有能源输出。

  虽然有些应用正在减少世界的能源需求,但也有些新的应用将大幅增加能源需求,例如电动汽车(EV)充电桩。电动汽车的迅速普及在推动功率半导体含量高达500美元的的部署需求。没有功率半导体的加油站将需要转换为消耗大量能源,因而需要功率半导体的电动汽车充电桩,因而需要基础设施的大幅变革。

  1.1 的相关产品

  提供宽广的尖端功率半导体阵容,可充分发挥在快速增长工业市场的优势,包括领先行业的功率沟槽MOSFET技术,采用最新的分立封装,提供更高能效用于次级整流等应用。在高电压领域,有具备领先的650V和1200 V IGBT技术。IGBT是上述大多数应用的核心。

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  安森美半导体集结这些领先行业的技术在电源模块中,提供更高的集成度和可靠性。公司的智能功率模块(IPM)阵容处于有利地位,广泛用于电机驱动,使用领先的分立IGBT技术。在转向更高的功率等级方面,公司提供功率集成模块(PIM),把IGBT、FET、二极管和碳化硅(SiC)器件集成在一个模块中。公司的PIM在太阳能逆变器市场占有很大的份额,并扩展到上述其他市场。

  今天,仅仅在传统的硅分立和模块技术领先是不够的,领先的功率半导体制造商还需具备宽禁带(WBG)技术。安森美半导体有强大的650 V和1200 V节点SiC二极管,最近还推出了1200 V SiCMOSFET系列,提供更高能效、更小的方案,并降低系统成本。

  安森美半导体是全球第二大功率半导体制造商,拥有尖端的硅、WBG和封装技术,将能在工业市场抓住这巨大的增长机遇。

  2 48 V汽车功能电子化

  汽车应用持续稳定增长,随着一些电动汽车和混动汽车的推出,48 V汽车功能电子化市场需求大增。

  随着大量新的轻度混合动力电动汽车(MHEV)的推出,48V汽车功能电子化市场已爆发。这些车辆一直在增长,因为车厂力求符合新的严格的碳排放和燃油经济性要求。48 V车辆实际是双电压车辆,除了普通的12 V电池外,还添加了一个48V电池来运行新的更高功率的子系统。这些子系统主要由一个集成的启动器/发电机(ISG)组成,用于启动、充电和加速。由于能关断主汽油发动机并使用ISG重新启动车辆,从而省油和提升能效。此外,ISG可获取制动时损失的能量,以重新为电池充电。它还增加了一个“助推”功能,帮助汽车加速,因此支持制造商缩小汽油发动机。与“全混合动力”相比,这些“混合”功能的组合可大大增加车辆的每加仑英里数(MPG)和降低碳排放,但只增加适当的成本。

  这些48 V系统给车辆增加显著的电力电子成分。首先,ISG含一个多相功率半导体桥(三相或六相)。它由80 V或100 V MOSFET器件或全集成的功率模块构成。

  功率桥器件需要支持电路,如门极驱动IC、电流检测放大器和其他缓冲或瞬态抑制器件。48 V车辆还需要一个电源转 换 器 , 以 从 4 8V ISG输出为12 V电池充电。该转换器需要额外的功率器件及必要的电子支持电路来执行这一功能。其他48 V子系统也在不断推出,如电动涡轮增压 器 或 电 动 增 压器,其设计中具有显著的电力电子含量。

  2.1 安森美半导体的相关优势

  安森美半导体一直是把功率沟槽MOSFET技术封装在许多尖端的行业封装中的领袖之一,也在开发应用于汽车的80 V和100 VMOSFET模块突飞猛进。这些模块由沟槽功率MOSFET组成,能够驱动25 kW的ISG应用,是电隔离的、高效散热的和紧凑的,且含内部温度检测、电压过冲缓冲器件,并具有支持3相和6相驱动的配置。

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  宽禁带在碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件取得进展,在半导体领域是非常新的,已广泛用于商业和工业应用。现已在汽车细分市场越来越受欢迎,因为它们能提高许多高功率汽车系统的能效、并以高得多的速度工作。其更高的开关速度胜于典型的“硅”器件。在现代汽车成本中,尤其注重重量和体积,促成车辆的电子和电力电子系统的激增。

  (迎九)

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第86页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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