技術(shù)進(jìn)步與人力成本上升共同推動(dòng)了工業(yè)制造升級(jí),全球制造業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)都制訂了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃,例如“中國(guó)制造 2025”、“工業(yè) 4.0”及“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。
在工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化、智能化過(guò)程中,我們也不應(yīng)該遺忘真正“驅(qū)動(dòng)”工業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體元器件,尤其是功率器件。如今,功率器件被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中,用來(lái)控制、轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓電流,從 MOSFET、IGBT,到新興的碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件,不同類(lèi)型的功率器件滿(mǎn)足了不同工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的需要。
工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率器件的要求
面向工業(yè)設(shè)備的功率器件使用條件比較苛刻,有的應(yīng)用需要 24 小時(shí) 365 天無(wú)間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。瑞薩電子大中國(guó)區(qū)汽車(chē)電子業(yè)務(wù)中心高級(jí)部門(mén)專(zhuān)家落合康彥指出,設(shè)計(jì)與研發(fā)功率器件時(shí),必須考慮兩點(diǎn)?!耙粋€(gè)是損耗特性,由于無(wú)間斷運(yùn)轉(zhuǎn)需求,如何減少器件所產(chǎn)生的損耗對(duì)工廠電費(fèi)有直接影響。而且不同應(yīng)用需要不同的開(kāi)關(guān)頻率,工程師需要按照實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率要求,決定有限考慮的是導(dǎo)通損耗還是開(kāi)關(guān)損耗,然后決定最佳的選擇;第二是可靠性,特別是無(wú)人工廠,器件故障會(huì)直接影響到工廠運(yùn)作造成損失,所以器件耐受性也是需要優(yōu)先考慮。”
“工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)對(duì)功率器件有絕對(duì)的依賴(lài),這些設(shè)備通過(guò)功率器件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,功能動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)控制功率器件來(lái)完成?!绷μ毓荆?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000325/">Littelfuse)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理杜堯生認(rèn)為,現(xiàn)在對(duì)功率器件的要求越來(lái)越高,高效率、低功耗、小尺寸,以及容易控制和方便應(yīng)用,都是工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率器件的要求。
“應(yīng)用于工業(yè)的功率器件必須可靠、高效、緊湊,能夠耐受拋負(fù)載,而且能在寬輸入電壓范圍保持輸出穩(wěn)定,”安森美半導(dǎo)體應(yīng)用工程經(jīng)理 Jon Gladish 則這樣表示,“此外,電源轉(zhuǎn)換的損耗要小,能夠在較寬的溫度范圍工作?!?/p>
大功率器件
大功率器件主要用于工業(yè)應(yīng)用,相比小功率器件,高電壓、大電流的大功率器件在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中需要考慮的因素更多。
“大電流高電壓的產(chǎn)品都要考慮應(yīng)力設(shè)計(jì)問(wèn)題,而且大功率器件通常不是一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)器件,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分注意導(dǎo)通損耗、電壓變化率(du/dt)、電流變化率(di/dt)等問(wèn)題,二極管的反向恢復(fù)時(shí)間也需要考慮。”力特杜堯生表示,功率器件電壓設(shè)定也很重要,現(xiàn)在 cool MOS 電壓到 1200V 已經(jīng)接近極限,1700V 和 3300V 只能采用 IGBT,但力特的碳化硅(SiC)MOSFET 卻非常容易實(shí)現(xiàn) 1200V 和 1700V 的最低電壓設(shè)計(jì)。
當(dāng)然碳化硅 MOSFET 門(mén)極驅(qū)動(dòng)是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn),因?yàn)樘蓟杵骷旧頁(yè)p耗小,開(kāi)關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)到 500KHz 級(jí)別,所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)非???,除了電源絕緣,還要做好信號(hào)的絕緣隔離處理。高頻信號(hào)也帶來(lái)了電磁干擾問(wèn)題,“抗干擾和抑制干擾都會(huì)變得頭痛,工程師必須面對(duì) EMI 問(wèn)題,否則就會(huì)誤觸發(fā)引起器件失控。電路板的高頻優(yōu)化和多點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)也變成難點(diǎn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要進(jìn)行時(shí)域分析,又要進(jìn)行頻域分析。”
安森美半導(dǎo)體 Jon Gladish 強(qiáng)調(diào)安全始終是功率器件應(yīng)用的主要考慮因素,尤其是高電壓、大電流的大功率器件。“UL 認(rèn)為,高于 60V 的電壓接觸到人體,將造成傷害,甚至?xí)?dǎo)致死亡,所以大功率器件在應(yīng)用時(shí),必須要充分考慮安全設(shè)計(jì),滿(mǎn)足爬電距離和電氣間隙要求是高壓器件應(yīng)用安全的首要條件?!备邏?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%95%E8%84%9A/">引腳周?chē)幕覊m和異物也存在危害,功能缺陷更要注意排查。
由于大功率器件在工作中會(huì)產(chǎn)生大量的熱,所以也需要特別注意其散熱設(shè)計(jì),盡可能減少由熱膨脹失配引起的機(jī)械應(yīng)力,以免發(fā)生危險(xiǎn)。對(duì)如何進(jìn)行散熱設(shè)計(jì),Jon Gladish 提到幾點(diǎn):符合規(guī)范的 PCB 布局布線(xiàn)(PCB 線(xiàn)的寬度、厚度和直徑等因素都要考慮),優(yōu)良的散熱架構(gòu),選擇熱阻更小的封裝材料等。
瑞薩電子落合康顏表示,高壓大電流應(yīng)用中,往往不是單個(gè)芯片來(lái)承擔(dān)大電流,對(duì)于兩個(gè)或多個(gè)芯片并聯(lián)使用場(chǎng)景,最重要的是控制多個(gè)芯片之間的特性偏差?!靶酒匦云町a(chǎn)生電流偏差,電流集中的芯片將會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱甚至損毀的狀況,所以控制器件制造工藝偏差非常關(guān)鍵。”
常見(jiàn)失效模式
功率器件失效往往會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的后果。尤其在不間斷電源、太陽(yáng)能逆變器、電信和充電樁等工業(yè)應(yīng)用中,如果功率器件在設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障,將可能導(dǎo)致多種二次故障,例如熔化、起火或者爆炸。“所以通常情況,工業(yè)系統(tǒng)有過(guò)壓保護(hù)(OVP)金額過(guò)流保護(hù)(OCP)等故障檢測(cè)功能,”Jon Gladish 表示,依靠故障檢測(cè)功能,出現(xiàn)功率器件失效情況時(shí),系統(tǒng)可以及時(shí)切斷供電,從而避免二次故障。
Jon Gladish 總結(jié)了 5 種常見(jiàn)的功率器件失效模式:雪崩擊穿;靜電放電(ESD)或門(mén)極浪涌;體二極管反向恢復(fù)電流過(guò)大??赡軙?huì)觸發(fā)寄生 BJT;長(zhǎng)期工作在線(xiàn)性區(qū),由于電流過(guò)大而導(dǎo)致的熱失控;裝配不當(dāng)造成的封裝損害。
落合康顏認(rèn)為,根據(jù)瑞薩電子的統(tǒng)計(jì),客戶(hù)的失效問(wèn)題 90%以上是由于過(guò)電壓或過(guò)電流造成的損壞,特別是 IGBT 和 MOSFET 等開(kāi)關(guān)器件,在開(kāi)關(guān)過(guò)程中發(fā)生的失效極多?!盀榉乐勾祟?lèi)失效,采用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)條件,并盡力抑制 PCB 寄生電感?!?/p>
“器件最常見(jiàn)的失效就電壓擊穿,短路燒毀,所以器件抗浪涌的能力必須強(qiáng),抗沖擊能力必須強(qiáng)。另外耐受電壓的能力也要高。短路失效使我們最頭疼的問(wèn)題,因?yàn)槠骷搪穼?duì)電源的沙勝利最大,可能會(huì)把整個(gè)電路板燒毀,甚至引起火災(zāi)?!倍艌蛏e了一個(gè)例子,工廠里運(yùn)行的變頻器通常是六個(gè)橋臂順序工作,如果因?yàn)槠骷бl(fā)上下橋短路,沒(méi)有保護(hù)的管子就會(huì)炸掉?!肮β势骷?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/497740.html">短路保護(hù)是非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),驅(qū)動(dòng)板都會(huì)設(shè)定短路保護(hù)的時(shí)間,功率器件也會(huì)有最大短路電流標(biāo)稱(chēng)?!?/p>
功率器件發(fā)展趨勢(shì)
遵循摩爾定律的數(shù)字芯片更新?lián)Q代非常迅猛,相比之下,功率器件發(fā)展比較緩慢,但也在不斷演進(jìn),從最早的晶閘管技術(shù),到 GTO 技術(shù)、MOSFET 技術(shù),再到 IGBT、IGCT 或 IGET,這些以硅為基材的技術(shù),在工作電壓與損耗等參數(shù)上似乎已經(jīng)達(dá)到了極限?!癝iC 技術(shù)的興起和成熟,給功率器件帶來(lái)了變革的曙光,”杜堯生表示,提高功率密度是目前功率器件技術(shù)的主要要求,電力傳動(dòng)系統(tǒng)和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)能效比要求都很高,“力特的 SiC 產(chǎn)品,相比傳統(tǒng)功率器件降低了 80%的損耗,幾乎變成了一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)器件?!?/p>
除了傳統(tǒng)的 IGBT,安森美半導(dǎo)體也在持續(xù)開(kāi)發(fā)寬禁帶器件技術(shù),包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN),此外超級(jí)結(jié)和屏蔽柵極硅基 MOSFET(shielded-gate silicon based MOSFET)也是重點(diǎn)投入方向?!爱a(chǎn)業(yè)趨勢(shì)是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出更快、導(dǎo)通電阻更小的器件,不斷降低硅特征導(dǎo)通電阻(RSP)和開(kāi)關(guān)損耗,以實(shí)現(xiàn)更高的能效和功率密度?!盝on Gladish 指出,還有一個(gè)優(yōu)化方向是新型封裝,安森美的重點(diǎn)方向是低寄生電阻和電感的表面貼封裝,以及增強(qiáng)散熱能力的封裝,例如雙面冷卻封裝。
Jon Gladish 將功率技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為四個(gè)方向。首先是高壓化,高壓化趨勢(shì)是為了提高能源效率;其次是模塊化,通過(guò)更有效的熱管理,來(lái)實(shí)現(xiàn)高額定功率;第三是先進(jìn)技術(shù)研發(fā),重點(diǎn)是基于硅技術(shù)和寬禁帶(SiC 和 GaN 等)材料的功率器件技術(shù);最后是智能化,帶保護(hù)功能的智能功率器件將更適合工業(yè)控制。
智能化
Jon Gladish 表示,雖然智能化功率模組(IPM)比普通分立器件方案更先進(jìn),對(duì)具體應(yīng)用更優(yōu)化,但用戶(hù)并不一定會(huì)買(mǎi)賬,因?yàn)橹悄芄β誓=M通常價(jià)格更高,而且不是像分立器件這樣的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。
但智能功率模組的優(yōu)點(diǎn)更多。首先模組性能更出色,隔離度更高、散熱性能更強(qiáng),同時(shí)模組內(nèi)還可包含完整的保護(hù)功能,例如過(guò)電壓、欠流和熱關(guān)斷;其次使用模組可以減小系統(tǒng)尺寸,功率模組通常采用系統(tǒng)化封裝,將 MOSFET、IGBT、二極管和驅(qū)動(dòng)電路(Gate Driver Unit,簡(jiǎn)稱(chēng) GDU)等裸片都封在一個(gè)封裝里,從而節(jié)省系統(tǒng)空間;最后模組可靠性更高,智能功率模組比分立方案元器件數(shù)量更少,加工環(huán)節(jié)減少,保護(hù)措施更完善,散熱性能更好,這些都意味著更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。
瑞薩電子落合康顏表示,在空調(diào)中使用 IPM 等功率較小的器件已經(jīng)很廣泛,但工業(yè)大功率器件通常是多個(gè)芯片并聯(lián)使用,所以智能化也是整套設(shè)備的智能化?!氨热缭诩?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E5%8A%A8%E8%BD%A6/">電動(dòng)車(chē)中使用 IGBT,瑞薩電子的想法并不是讓 IGBT 本身變得智能化,而是對(duì)顧客提供包括 IGBT 的整個(gè)智能化變頻器解決方案?!?/p>
“集成了驅(qū)動(dòng)管理、熱管理以及防護(hù)管理的智能化產(chǎn)品會(huì)讓工程設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔,力特的產(chǎn)品會(huì)更加靈活好用,對(duì)整個(gè)工業(yè)應(yīng)用也會(huì)帶來(lái)變革,工業(yè) 4.0 也就是智能化制造的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程離不開(kāi)智能化的功率器件或模組。”設(shè)備信息化是實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 的基礎(chǔ),就如杜堯生所言,智能化是功率器件行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。
總結(jié)
功率器件是保證工業(yè)設(shè)備正常運(yùn)作的核心器件,嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)工業(yè)用功率器件的參數(shù)提出了更高要求,并需要在使用中增加多種保護(hù)措施以防止功率器件失效造成的災(zāi)難,高壓化、模塊化、智能化將是今后功率器件發(fā)展的主要趨勢(shì),寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)也越來(lái)越受到重視??梢灶A(yù)見(jiàn),在實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 過(guò)程中,智能化功率模塊的接受度將越來(lái)越高。