全球能源價(jià)格的上漲以及與電子產(chǎn)品相關(guān)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增加正在成為設(shè)備和/或消費(fèi)品采購(gòu)決策的重要組成部分。因此,研發(fā)工程師一直在尋找降低產(chǎn)品功耗的方法。過(guò)去,這主要適用于電池供電的應(yīng)用,因?yàn)樾蕰?huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。然而,這種趨勢(shì)近年來(lái)已經(jīng)擴(kuò)大到包括許多離線供電的消費(fèi)品。
功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心,主要用于改變電子裝置中電壓和頻率,及直流交流轉(zhuǎn)換等。只要在擁有電流電壓及相位轉(zhuǎn)換的電路系統(tǒng)中,都會(huì)用到功率零組件。
英飛凌推出 LITIX Power 雙通道 DC/DC 控制器,無(wú)需額外的微控制器即可驅(qū)動(dòng) LED 前照燈。 Infineon Technologies AG通過(guò)雙通道獨(dú)立 DC/DC 控制器擴(kuò)展了其LITIX Power 系列。該公司聲稱新的 TLD6098-2ES是第一款無(wú)需額外微控制器即可驅(qū)動(dòng)全 LED 前照燈的產(chǎn)品。該控制器還可以操作四種標(biāo)準(zhǔn) LED 前燈 功能:遠(yuǎn)光燈 (HB)、近光燈 (LB)、日間行車(chē)燈 (DRL) 和轉(zhuǎn)向燈 (TURN)。LITIX Power 產(chǎn)品還可用作外部 LED 照明中動(dòng)畫(huà)的電壓源。
鑒于現(xiàn)在可用的 MOSFET 可供選擇的范圍很廣,并且分配給主板電源的空間越來(lái)越小,使用可靠、一致的方法來(lái)選擇正確的 MOSFET 變得越來(lái)越重要。這種方法可以加快開(kāi)發(fā)周期,同時(shí)優(yōu)化特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)。
隨著為個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC) 應(yīng)用中的核心 DC-DC 轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)的同步降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率向 1MHz-2MHz 范圍移動(dòng),MOSFET 損耗變得更高。由于大多數(shù) CPU 需要更高的電流和更低的電壓,這一事實(shí)變得更加復(fù)雜。當(dāng)我們添加其他控制損耗機(jī)制的參數(shù)(如電源輸入電壓和柵極驅(qū)動(dòng)電壓)時(shí),我們需要處理更復(fù)雜的現(xiàn)象。但這還不是全部,我們還有可能導(dǎo)致?lián)p耗顯著惡化并因此降低功率轉(zhuǎn)換效率 (ξ) 的次要影響。
現(xiàn)階段,多核架構(gòu)使微處理器在水平尺度上變得更密集、更快速,令這些器件所需功率急劇增加,直接導(dǎo)致向微處理器供電的穩(wěn)壓器模塊(VRM)的升級(jí)需求:一是穩(wěn)壓器的功率密度(單位體積的功率)升級(jí),為了在有限空間中滿足系統(tǒng)的高功率要求,必須大幅提高功率密度;另一是功率轉(zhuǎn)換效率提升,高效率可降低功率損耗并改善熱管理。
傳統(tǒng)上,耗盡型 MOSFET 被歸類為線性器件,因?yàn)樵礃O和漏極之間的傳導(dǎo)通道無(wú)法被夾斷,因此不適合數(shù)字開(kāi)關(guān)。這種誤解的種子是由 Dawon Kahng 博士播下的,他在 1959 年發(fā)明了第一個(gè)耗盡型 MOSFET——只有三個(gè)端子當(dāng)柵極控制電壓在電源和地之間變化時(shí),柵極的三端耗盡型 MOSFET 的溝道。Dr. Kahng 的耗盡型 MOSFET 只能用作可變電阻或同相線性緩沖器。從那時(shí)起,耗盡型 MOSFET 一直被用作三端線性器件。
為了最大限度地減少開(kāi)關(guān)階段的功耗,必須盡快對(duì)柵極電容器進(jìn)行充電和放電。市場(chǎng)提供了特殊的電路來(lái)最小化這個(gè)過(guò)渡期。如果驅(qū)動(dòng)器可以提供更高的柵極電流,則功率損耗會(huì)降低,因?yàn)楣β仕矐B(tài)的峰值會(huì)更短。一般來(lái)說(shuō),柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行以下任務(wù):
在設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)換器時(shí),可以使用仿真模型在多個(gè)設(shè)計(jì)維度之間進(jìn)行權(quán)衡。使用有源器件的簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)模型可以進(jìn)行快速仿真,帶來(lái)更多的工程洞見(jiàn)。然而,與制造商精細(xì)的器件模型相比,這種簡(jiǎn)易的器件模型無(wú)法在設(shè)計(jì)中提供與之相匹敵的可信度。本文探討了功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員該如何結(jié)合使用系統(tǒng)級(jí)模型和精細(xì)模型,探索設(shè)計(jì)空間,并帶來(lái)高可信度結(jié)果。本文使用MathWorks的系統(tǒng)級(jí)建模工具Simulink? 和 Simscape?,以及精細(xì)的英飛凌車(chē)規(guī)級(jí)MOSFET SPICE子電路),對(duì)該過(guò)程進(jìn)行示范性展示。
該穩(wěn)壓器內(nèi)置一個(gè)MOSFET和一個(gè)續(xù)流二極管,MOSFET提供交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流,當(dāng)勵(lì)磁關(guān)閉時(shí),續(xù)流二極管負(fù)責(zé)提供轉(zhuǎn)子電流。發(fā)電機(jī)閉環(huán)運(yùn)行具有負(fù)載響應(yīng)控制 (LRC)和回路LRC控制,當(dāng)車(chē)輛的整體電能需求不斷變化時(shí),使輸出電壓保持穩(wěn)定不變。
2022年樂(lè)瓦微推出新一代-60V P 溝道 SGT MOSFET系列產(chǎn)品,性能達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。P 溝道 MOSFET采用空穴流作為載流子,其遷移率小于N溝道 MOSFET 中的電子流,獨(dú)特的柵極負(fù)壓開(kāi)啟機(jī)制,使其成為高端開(kāi)關(guān)的理想選擇。P 溝道MOSFET特性的優(yōu)勢(shì)在于可簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù),降低應(yīng)用的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,從而降低整體成本。
在上一集中觀察到的雙極晶體管的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間太長(zhǎng),尤其是在高功率時(shí)。這樣,它們不能保證良好的飽和度,因此開(kāi)關(guān)損耗是不可接受的。由于采用了“場(chǎng)效應(yīng)”技術(shù),使用稱為 Power-mos 或場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管的開(kāi)關(guān)器件,這個(gè)問(wèn)題已大大減少。在任何情況下,表示此類組件的最常用名稱是 MOSFET。
碳化硅 (SiC) 因其更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的結(jié)溫而被稱為汽車(chē)行業(yè)傳統(tǒng) Si IGBT 器件的繼承者。此外,在過(guò)去五年中,汽車(chē)行業(yè)已成為基于 SiC 的逆變器的公共試驗(yàn)場(chǎng)。事實(shí)證明,通過(guò) SiC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) DC 到 AC 的基本轉(zhuǎn)換比硅 (Si) 轉(zhuǎn)換器更小、更輕且更高效,因此寬帶隙器件在汽車(chē)行業(yè)的潛力將顯著增長(zhǎng)。
工業(yè)電源應(yīng)用基于強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī),可以在風(fēng)扇、泵、伺服驅(qū)動(dòng)器、壓縮機(jī)、縫紉機(jī)和冰箱中找到。三相電動(dòng)機(jī)是最常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)類型,它由適當(dāng)?shù)幕谀孀兤鞯尿?qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。它可以吸收一個(gè)行業(yè)高達(dá) 60% 的全部電力需求,因此對(duì)于驅(qū)動(dòng)器提供高效率水平至關(guān)重要。
本文追溯了電力電子的歷史,可追溯到硅MOSFET仍用于驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的電子負(fù)載時(shí)。讓我們通過(guò)描述、應(yīng)用和模擬重新發(fā)現(xiàn)硅的世界,了解電子世界是如何在短短幾年內(nèi)發(fā)生巨大變化的,因?yàn)樾碌?SiC 和 GaN MOSFET 的發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)。
與低功率同類產(chǎn)品不同,MOSFET、IGBT、功率二極管和晶閘管等功率器件會(huì)產(chǎn)生大量熱量。因此,有效的熱管理對(duì)于確保電力電子設(shè)備的可靠性和優(yōu)化的壽命性能至關(guān)重要,包括由更高工作溫度、寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料制成的設(shè)備。
今天的汽車(chē)配備了種類繁多的電子配件和電子安全輔助裝置,使車(chē)輛更具吸引力、更安全和更易于使用。此外,傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)(如動(dòng)力轉(zhuǎn)向和自動(dòng)變速箱)正在被電動(dòng)等效系統(tǒng)取代,以幫助減輕整體重量并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
電力設(shè)計(jì)是由市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的,以提高效率和生產(chǎn)力,同時(shí)符合法規(guī)要求。最重要的最終用戶需求幾乎總是更小、更輕、更高效的系統(tǒng),這得益于功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的重大創(chuàng)新。在硅 MOSFET 和 IGBT 長(zhǎng)期以來(lái)一直在功率半導(dǎo)體中占據(jù)主導(dǎo)地位的地方,寬帶隙 (WBG) 技術(shù),尤其是碳化硅 (SiC) 技術(shù)的最新進(jìn)展正在為電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的好處,提高效率和更高的電壓能力,從而減少形式因素。
2022年3月24日,世強(qiáng)硬創(chuàng)平臺(tái)與成都方舟微電子有限公司(下稱“方舟微“)簽署合作協(xié)議,方舟微授權(quán)世強(qiáng)硬創(chuàng)平臺(tái)代理旗下耗盡型MOSFET、增強(qiáng)型MOSFET和保護(hù)器件等全線產(chǎn)品。
在幾家造車(chē)新勢(shì)力高調(diào)推出搭載碳化硅芯片模組的主驅(qū)逆變器大功率平臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)后,中國(guó)功率半導(dǎo)體上車(chē)進(jìn)程開(kāi)始進(jìn)入白熱化,電車(chē)廠紛紛加快碳化硅模塊的研發(fā)及布局。