如何設(shè)計(jì)出更高能效的太陽(yáng)能、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車充電樁和服務(wù)器等應(yīng)用

太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車充電樁、儲(chǔ)能、不間斷電源(UPS)等能源基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)控制、人機(jī)接口、機(jī)器視覺等自動(dòng)化控制，工業(yè)伺服、變頻驅(qū)動(dòng)、暖通空調(diào)(HVAC)等電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及機(jī)器人和電動(dòng)工具等工業(yè)細(xì)分領(lǐng)域是當(dāng)前市場(chǎng)的熱門應(yīng)用。在設(shè)計(jì)這些應(yīng)用時(shí)，工程師都要求更高能效、功率密度和可靠性。作為全球第二大功率分立和模塊半導(dǎo)體供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體以豐富的電源專知提供廣泛的產(chǎn)品陣容，從硅到碳化硅(SiC)，從分立器件到電源模塊，以及門極驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)算放大器、光耦等，乃至完整的參考設(shè)計(jì)、在線設(shè)計(jì)工具WebDesigner+、云平臺(tái)開發(fā)工具Strata Developer Studio和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支援，幫助工程師解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從而更快設(shè)計(jì)出具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的方案。

太陽(yáng)能方案

隨著能源和環(huán)境問題日益凸顯，太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源，前景可期。太陽(yáng)能發(fā)電本質(zhì)上是直流(DC)技術(shù)，需要逆變器(DC-AC)來發(fā)電。從硅轉(zhuǎn)向SiC半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)能效和性能的飛躍。隨著成本的優(yōu)化，越來越多的廠商開始采用SiC替代原來基于硅的逆變電路，以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度、更低的損耗、更低的電感/電容成本、更緊湊的尺寸。安森美半導(dǎo)體除了提供各種基于硅的涵蓋5 kW至250 kW輸出功率的3電平逆變器模塊和升壓模塊，也提供大量SiC MOSFET和SiC二極管方案陣容，以及門極驅(qū)動(dòng)、運(yùn)算放大器等產(chǎn)品。

其中，NXH40B120MNQ系列全SiC升壓功率模塊已被全球領(lǐng)先的電源和熱管理方案供應(yīng)商臺(tái)達(dá)選用，用于支持其M70A三相光伏組串逆變器，實(shí)現(xiàn)高達(dá)98.8%的峰值能量轉(zhuǎn)換能效。SiC技術(shù)的使用提供了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能逆變器等應(yīng)用中所要求高能效水平所需的低反向恢復(fù)和快速開關(guān)特性。

以下是安森美半導(dǎo)體推薦的升壓及逆變器模塊。這些模塊都集成高速IGBT、Si/SiC二極管，實(shí)現(xiàn)高能效、緊湊的設(shè)計(jì)，內(nèi)置熱敏電阻，提供高可靠性，采用焊接/壓合引腳，易于貼裝。

表1：推薦的升壓及逆變器模塊用于太陽(yáng)能發(fā)電

高性能IGBT、智能功率模塊(IPM)和功率集成模塊(PIM)助力工業(yè)驅(qū)動(dòng)控制

無人化和智能化正成為趨勢(shì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的核心。安森美半導(dǎo)體提供包括分立IGBT、IPM和PIM在內(nèi)的產(chǎn)品助力提升工業(yè)系統(tǒng)能效，滿足不斷提升的能效需求。

工程師評(píng)估一個(gè)IGBT性能，通常從飽和壓降、關(guān)斷損耗和抗沖擊力三方面評(píng)估，需要根據(jù)應(yīng)用的不同對(duì)IGBT做權(quán)衡設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體最新的IGBT工藝技術(shù)是用于950 V、750 V和650 V的場(chǎng)截止型第四代溝槽IGBT工藝，帶來業(yè)界最優(yōu)的飽和壓降設(shè)計(jì)和開關(guān)性能設(shè)計(jì)，同時(shí)超場(chǎng)截止(UFS)工藝的1200 V第三代場(chǎng)截止型IGBT工藝代表了全球最好的工藝水平，抗沖擊能力大幅提高，并且開關(guān)性能和飽和壓降水平都領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

安森美半導(dǎo)體用于驅(qū)動(dòng)控制的分立IGBT產(chǎn)品系列抗沖擊力強(qiáng)，可支持從3 A到160 A在內(nèi)的電流等級(jí)，包含從DPAK到Power 247在內(nèi)的各種封裝。而全塑封的IGBT系列采用TO-3PF封裝設(shè)計(jì)，不需要絕緣墊片，降低安裝成本提高工作效率，同時(shí)可降低因?yàn)榻^緣墊片帶來的熱阻損耗，提高功率密度。

IPM將IGBT、高低壓驅(qū)動(dòng)芯片和外圍阻容器件、二極管封裝在一個(gè)模塊中，實(shí)現(xiàn)了更靈敏準(zhǔn)確的保護(hù)功能，更簡(jiǎn)單的外圍元器件設(shè)計(jì)、更簡(jiǎn)化的生產(chǎn)工藝和更好的散熱性能。安森美半導(dǎo)體提供1200 V和650 V/600 V全系列的IPM產(chǎn)品，最高功率等級(jí)7.5kW，采用不同的基板技術(shù)(直連銅基板(DBC)、陶瓷基板、絕緣金屬基板(IMST))，滿足工業(yè)逆變、HVAC、泵、工業(yè)風(fēng)扇、空調(diào)、白家電乃至新興的工業(yè)機(jī)器人等不同應(yīng)用及成本需求。

圖1：安森美半導(dǎo)體的IPM陣容

在中大功率工業(yè)控制領(lǐng)域，為支持驅(qū)動(dòng)電路的多種選擇，安森美半導(dǎo)體推出PIM模塊，如最新的壓鑄模功率集成模塊(TM-PIM)，廣泛運(yùn)用于中央空調(diào)、變頻控制和伺服控制領(lǐng)域。TM-PIM 集成3相轉(zhuǎn)換器、逆變器和制動(dòng)器，采用創(chuàng)新工藝、可靠的基板和環(huán)氧樹脂壓鑄模技術(shù), 比普通的凝膠填充電源模塊熱循環(huán)使用壽命提高10倍，功率循環(huán)使用壽命提高3倍。它將助推客戶終端逆變器系統(tǒng)長(zhǎng)的使用壽命及高可靠性。該模塊采用先進(jìn)的厚銅基板，省去底板，比普通模塊減小57%的體積，且提高30%的熱阻，大大增加功率密度。

表2：安森美半導(dǎo)體已發(fā)布的TM-PIM

電動(dòng)汽車充電樁方案

受政府節(jié)能和環(huán)保法規(guī)以及新基建等一系列政策驅(qū)動(dòng)，汽車正迅速邁向電動(dòng)汽車發(fā)展，市場(chǎng)期待充電樁達(dá)到更高的峰值能效以節(jié)省充電時(shí)間和增加續(xù)航里程。充電樁按充電能力分為4級(jí)?，F(xiàn)有充電樁多為1級(jí)或2級(jí)。而消費(fèi)者最感興趣的是直流快充。隨著功率增加和速度要求的提高，對(duì)MOS和SiC的需求越來越強(qiáng)。采用SiC方案將比硅方案小10倍，充電時(shí)用電量少60%，達(dá)到99%的峰值能效。

表3：電動(dòng)汽車充電樁按充電能力分為4級(jí)

安森美半導(dǎo)體為充電樁提供寬廣的方案，包括高性能MOSFET、IGBT及SiC產(chǎn)品陣容，實(shí)現(xiàn)更高能效、更環(huán)保、更快、更小、更輕、更高性價(jià)比和更快冷卻的優(yōu)勢(shì)，其MOSFET和SiC陣容如下：

表4：充電樁MOS – Easy Drive：用于硬/軟開關(guān)，易驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低EMI和電壓尖峰，優(yōu)化內(nèi)部Rg和電容

表5：充電樁MOS –FRFET：用于軟開關(guān)拓?fù)?，更小的Qrr和Trr實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性

表6：充電樁SiC二極管

表7：充電樁SiC二極管：第1.5代減小正向壓降 (第1代正向壓降 = 1.5V) 和Qc

表8：充電樁SiC MOSFET

下面是一個(gè)15 kW/20 kW電動(dòng)汽車充電樁方案：采用PFC + LLC拓?fù)?，?個(gè)Easy Drive MOSFET FCH040N65S3/FCH029N65S3，6個(gè)SiC二極管FFSH20120A/FFSH30120A，8個(gè)FRFET MOSFET NTHL040N65S3F/NTHL033N65S3HF，輸出端用16個(gè)SiC二極管FFSH2065B/FFSH3065B。SiC二極管能夠提供卓越的開關(guān)性能，且比硅具有更高的可靠性，無逆向恢復(fù)電流、溫度無關(guān)開關(guān)特性和卓越的熱性能，使系統(tǒng)具備更高能效、更快的運(yùn)行頻率、提高的功率密度、降低的 EMI，以及減小的系統(tǒng)尺寸和成本。

圖2：電動(dòng)汽車充電樁典型應(yīng)用框圖

服務(wù)器和工業(yè)電源市場(chǎng)

5G、云數(shù)據(jù)中心電源都對(duì)高能效和功率密度有非常高的要求。SiC器件高達(dá)98%的能效，完美契合5G和云電源市場(chǎng)的發(fā)展，SiC二極管用于無源PFC級(jí)，而氮化鎵(GaN)/SiC成為圖騰柱和LLC級(jí)的選擇。在輸入電壓220 V至230 V、輸出電壓400 V的條件下，普通的硅PFC方案采用連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)、雙升壓、全橋拓?fù)?，能效不?5%，2個(gè)電感使得開關(guān)頻率有限，且器件數(shù)多，占位大，而SiC賦能的PFC方案采用反激圖騰柱，實(shí)現(xiàn)更高能效(98%)、頻率、功率密度和雙向功率流，更少器件數(shù)。圖騰柱PFC是構(gòu)建80PLUS®Titanium標(biāo)準(zhǔn)電源的一種高性價(jià)比方案，用于數(shù)據(jù)中心、計(jì)算應(yīng)用和車載電池充電器。 如Solantro的SA8000-N TP-PFC控制器結(jié)合安森美半導(dǎo)體的SiC MOSFET幫助實(shí)現(xiàn)超過99%的能效，并提供優(yōu)化的開關(guān)模式、可靠的啟動(dòng)、高功率密度和更低的功率損耗。

輔助電源方案

無論是能源基礎(chǔ)設(shè)施，電動(dòng)汽車充電樁，還是服務(wù)器，都需要輔助電源。反激轉(zhuǎn)換器是最流行的輔助電源拓?fù)?，因?yàn)樗哂懈俚钠骷?shù)量和物料單(BOM)成本。對(duì)于小于30 W的輸出功率水平，內(nèi)置高壓MOSFET的AC - DC開關(guān)電源是易于設(shè)計(jì)和緊湊尺寸的首選方法。安森美半導(dǎo)體提供從3 W到30 W的廣泛的內(nèi)置高壓MOSFET的 AC – DC電源開關(guān)產(chǎn)品陣容，包括NCP107x、NCP1067x和FSL5x8等。對(duì)于> 30W的輸出功率水平，通常采用AC - DC控制器IC加外部MOSET方法，以提供設(shè)計(jì)靈活性并簡(jiǎn)化熱管理。為了提高功率密度和轉(zhuǎn)換能效，安森美半導(dǎo)體提供采用NCP1342的高頻準(zhǔn)諧振(QR)反激方案和采用NCP1568的零電壓開關(guān)(ZVS)有源鉗位反激方案。變壓器設(shè)計(jì)是反激設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為幫助電源設(shè)計(jì)減少開發(fā)工作量，安森美半導(dǎo)體提供一系列交鑰匙參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)電子表格工具。

安森美半導(dǎo)體的寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)

寬禁帶可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器電源、電動(dòng)汽車充電樁等設(shè)計(jì)的能效和性能飛躍，安森美半導(dǎo)體具備獨(dú)一無二的寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)，包括650 V、1200 V、1700 V SiC二極管，650 V、750 V、900 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET(全都符合車規(guī)認(rèn)證)， GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，SiC和GaN驅(qū)動(dòng)器及集成模塊，乃至方案、仿真模型及設(shè)計(jì)軟件等，并與整個(gè)供應(yīng)鏈中的多家公司合作以降低價(jià)格并加快上市時(shí)間，其基于物理的模型平臺(tái)，可以在工程師測(cè)試器件前提供其在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體廣泛的產(chǎn)品陣容從 IGBT 和功率 MOSFET，到門極驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)放、光耦、電源模塊，包括先進(jìn)的碳化硅及寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)，乃至完整的參考設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支援和線上輔助設(shè)計(jì)的資源及工具，都可幫助工程師解決太陽(yáng)能、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車充電樁、服務(wù)器等應(yīng)用領(lǐng)域不斷提升的能效、功率密度和性能需求，推進(jìn)創(chuàng)新。