从硅到碳化硅,更高能效是功率器件始终的追求

随着新能源汽车和电动飞机概念的兴起,在可预见的未来里,电能都将会是人类社会发展的主要能源。然而,随着电气化在各行各业的渗透率不断提升,每年全社会对电能的消耗量都是一个天文数字。比如在中国,根据国家能源局发布的数据,2022年全社会用电量86,372亿千瓦时,同比增长3.6%;其中,高速发展的新能源汽车在整车制造方面,用电量大幅增长71.1%。

图1:全社会用电量统计(图源:贸泽电子)

各行业电气化进程逐渐深入后,我们也必须要考虑到一个严峻的问题,那就是节能。当前,任何一种用电设备在设计之初,都会将高能效和低能耗作为两大核心性能,变频空调、变频冰箱等就是其中典型的例子。

要想让设备不断实现更好的节能指标,用功率器件取代传统开关是必要的一步。可以说,功率器件创新的方向就是为了打造更节能的社会。在这里,我们将重点为大家推荐几款贸泽电子官网在售的功率器件,让大家有一个直观的感受:功率器件能够帮助大家成为节能达人。

降功耗、提密度是IGBT的优势

功率器件是半导体行业里面的一个重要分支,大量应用于消费电子、工业控制、交通能源、电力电网和航空航天等领域。从具体的设备来看,小到个人用手机和电脑的电源,大到电动汽车、高速列车、电网的逆变器,基本都是以功率器件为核心设计实现的。

在功率器件普及之前,各行各业靠低效、笨重的开关来控制电能,功率器件可以通过切换电路来控制电流,从而取代开关。相较而言,功率器件的优势包括开关速度快、开关损耗小、通态压降小、耐高温高压,以及功率密度高等。功率器件的典型性能优势决定了,这些器件能够从设备运转、设备待机和设备体积等多方面实现能耗的降低。

功率器件主要分为二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。其中,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)是MOSFET(场效应晶体管)和BJT(Bipolar Junction Transistor,双极晶体管)的结合体,因此既有MOSFET的优势,也有BJT的优势。综合而言,IGBT的优势包括高电流、高电压、高效率、漏电流小、驱动电流小、开关速度快等,被广泛应用于电力控制系统中。

在低碳浪潮中,IGBT受到了热捧,其不仅器件可靠性更高,并且相较于传统的MOSFET、BJT,拥有更低的漏电流,因此器件损耗更低,在具体的使用过程中,借助IGBT只需要一个小的控制信号就能够控制很大的电流和电压,在节能的同时也显著提高了系统的效率。目前,IGBT器件依然在借助新工艺和新模块方案来进一步降低系统的能耗。

接下来我们将为大家重点介绍一款IGBT智能功率模块(IPM),来自制造商ROHM Semiconductor,贸泽电子官网上该器件的料号为BM63574S-VC。

图2:BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块(图源:贸泽电子)

BM63574S-VC是整个BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块阵营中的其中一款,这些IGBT IPM产品由栅极驱动器、自举二极管、IGBT和再生用快速反向恢复二极管组成,工作电压为600V,可支持的集电极电流最高可至30A。

通过下图可以看到,这些600V IGBT IPM具有三相DC/AC逆变器、低侧IGBT栅极驱动器(LVIC)、高侧IGBT门驱动等功能单元。其中,低侧IGBT栅极驱动器除了承担驱动电路的角色,还提供短路电流保护(SCP)、控制电源欠压锁定(UVLO)、热关断(TSD)、模拟信号温度输出(VOT)等保护功能;高侧IGBT门驱动器(HVIC)基于SOI(绝缘体上硅)工艺,除了本身的驱动电路,还提供高电压电平转换、自举二极管的电流限制、控制电源欠压锁定(UVLO)等功能。

图3:BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块系统框图(图源:ROHM Semiconductor)

可以说,BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块除了发挥IGBT本身的优势之外,也进行了很多针对性的创新。比如,在高侧IGBT门驱动器上采用SOI工艺,提高了开关频率和功率密度,降低了系统功耗,并简化了电路设计;高侧IGBT门驱动器中内置自举二极管,可由自举二极管供电,节省PCB面积并减少元件数量;另外,高侧和低侧IGBT门驱动器均有欠压锁定功能,能够防止IGBT模块工作在低效或危险状态。

图4:BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块典型应用电路(图源:ROHM Semiconductor)

这些600V IBGT IPM非常适用于AC100至240Vrms(直流电压:小于400V)类电机控制应用以及空调、洗衣机或冰箱用压缩机或电机控制等其他应用。

SiC让节能增效更进一步

从产业发展现状来看,目前硅是制造芯片和半导体器件最广泛的原材料,绝大多数的器件都是基于硅材料制造。不过,由于硅材料本身的限制,因此相关器件在高频和高功率应用方面愈发乏力,以SiC(碳化硅)为代表的第三代半导体大功率电力电子器件则是一个很好的补充。

根据市场调研机构Yole的统计数据,2021年全球SiC功率器件市场规模为10.90亿美元,预计2027年市场规模将达到62.97亿美元。之所以能够有如此快速的增长,离不开SiC功率器件的优良性能。SiC功率器件又被称为“绿色能源器件”,可显著降低电子设备的能耗。

图5:全球SiC功率器件市场规模(图源:Yole)

综合而言,SiC功率器件有三大方面的性能优势。

其一是材料本身,作为宽禁带半导体材料的代表,SiC具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性,显著提升器件功率密度;

其二是SiC功率器件拥有高击穿电场强度特性,有助于提高器件的功率范围,降低通电电阻,使其具备耐高压性和低能耗性;

其三是高饱和电子漂移速率特性,意味着更低的电阻,得以显著降低能量损失,简化周边被动器件。也就是说,无论是器件本身,还是基于SiC功率器件构建的电力系统,都会具备高能效、高功率密度的显著优势。

下面我们就来为大家推荐一款具备上述优势性能的SiC功率器件,来自制造商ROHM Semiconductor,贸泽电子官网上该器件的料号为SCT3060ARC14,属于ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET中的一款。

图6:ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET(图源:贸泽电子)

ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET原理上在开关过程中不会产生拖尾电流,可高速运行且开关损耗低。因此与传统的硅解决方案相比,SiC MOSFET具有更低的导通电阻和更快的恢复速度。

这些SiC MOSFET采用TO-247-4L封装,这是一种高效的封装方式,具有独立的电源和驱动器源极引脚,通过开尔文源极引脚将栅极驱动回路与电源端子分开。因此,由于源电流的上升,导通过程不会因电压下降而减慢,从而进一步显著降低导通损耗。

图7:ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET引脚示意图(图源:ROHM Semiconductor)

这些SiC MOSFET提供650V和1200V两种型号,是服务器电源、太阳能逆变器和电动汽车充电桩的理想选择,当然也可以将其应用于DC-DC转换器、开关电源和感应加热等应用方向。

传统功率器件的节能趋势

上面我们已经提到了,功率器件的种类非常丰富,为了满足行业对节能增效的需求,不只是IGBT和SiC MOSFET这样的热门器件在不断更新迭代,传统功率器件也在进行积极创新。

目前,功率器件的创新点有很多。比如SiC和GaN(氮化镓)这些属于材料级别的创新;也有结构和工艺的创新,异质结构器件、复合型器件、磁隔离型器件等都是较新的器件结构,制造工艺和封装工艺也在不断升级;当然,还有智能化和可重构的趋势,让功率器件的使用可以更加灵活。

接下来我们通过一颗具体的器件来看一下,该器件来自制造商Nexperia,贸泽电子官网上的料号为BC857BW-QX。

图8:BC857BW-QX(图源:贸泽电子)

BC857BW-QX为一款PNP通用晶体管,其具有低电流和低电压特性,最大电流为100mA,最大电压为65V,可以帮助系统具备低功耗的优势。

除了器件本身的特性,BC857BW-QX在封装方式上采用SOT323表面贴装的方式,这是一种非常小的封装方式,并且由过去数十年来一直使用的SOT23封装发展而来,因此具备小型化和高可靠的优势。所以,从器件本身来说,BC857BW-QX是一颗小型化和低功耗的器件,也能够在系统中发挥同样的优势,帮助打造高功率密度的产品。

BC857BW-QX符合AEC-Q101车规级认证,适用于汽车应用中的开关和放大应用。

智能化和可重构是未来的大趋势

上述内容我们主要通过功率器件的材料、结构、封装和模块等方向来阐述功率器件的低功耗发展趋势,这样的性能优势让大家在使用过程中,可以较为从容地应对越来越严苛的高能效要求,成为社会应用创新中的节能达人。

面向未来,除了从器件本身和应用电路方面继续突破以外,功率器件也必须要更重视和人工智能、物联网技术的结合,需要具有智能化和可重构的特点,以适应智能化、自适应的电力电子应用。当具备这样的优势之后,功率器件将能够赋能更多的终端领域,开启节能、高效、智能的新时代。

本文转载自: 贸泽电子微信公众号