如何設計出更高能效的太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁和服務器等應用

太陽能、電動汽車充電樁、儲能、不間斷電源(UPS)等能源基礎設施，工業(yè)控制、人機接口、機器視覺等自動化控制，工業(yè)伺服、變頻驅(qū)動、暖通空調(diào)(HVAC)等電機驅(qū)動，以及機器人和電動工具等工業(yè)細分領域是當前市場的熱門應用。在設計這些應用時，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體供應商，安森美半導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)動器、運算放大器、光耦等，乃至完整的參考設計、在線設計工具WebDesigner+、云平臺開發(fā)工具Strata Developer Studio和現(xiàn)場應用支援，幫助工程師解決設計挑戰(zhàn)，從而更快設計出具競爭優(yōu)勢的方案。

太陽能方案

隨著能源和環(huán)境問題日益凸顯，太陽能作為一種清潔的可再生能源，前景可期。太陽能發(fā)電本質(zhì)上是直流(DC)技術，需要逆變器(DC-AC)來發(fā)電。從硅轉向SiC半導體可實現(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，以實現(xiàn)更快的開關速度、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、運算放大器等產(chǎn)品。

其中，NXH40B120MNQ系列全SiC升壓功率模塊已被全球領先的電源和熱管理方案供應商臺達選用，用于支持其M70A三相光伏組串逆變器，實現(xiàn)高達98.8%的峰值能量轉換能效。SiC技術的使用提供了實現(xiàn)太陽能逆變器等應用中所要求高能效水平所需的低反向恢復和快速開關特性。

以下是安森美半導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，實現(xiàn)高能效、緊湊的設計，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)動控制

無人化和智能化正成為趨勢，電機驅(qū)動系統(tǒng)往往是實現(xiàn)節(jié)能的核心。安森美半導體提供包括分立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。

工程師評估一個IGBT性能，通常從飽和壓降、關斷損耗和抗沖擊力三方面評估，需要根據(jù)應用的不同對IGBT做權衡設計。安森美半導體最新的IGBT工藝技術是用于950 V、750 V和650 V的場截止型第四代溝槽IGBT工藝，帶來業(yè)界最優(yōu)的飽和壓降設計和開關性能設計，同時超場截止(UFS)工藝的1200 V第三代場截止型IGBT工藝代表了全球最好的工藝水平，抗沖擊能力大幅提高，并且開關性能和飽和壓降水平都領先于競爭對手。

安森美半導體用于驅(qū)動控制的分立IGBT產(chǎn)品系列抗沖擊力強，可支持從3 A到160 A在內(nèi)的電流等級，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封裝設計，不需要絕緣墊片，降低安裝成本提高工作效率，同時可降低因為絕緣墊片帶來的熱阻損耗，提高功率密度。

IPM將IGBT、高低壓驅(qū)動芯片和外圍阻容器件、二極管封裝在一個模塊中，實現(xiàn)了更靈敏準確的保護功能，更簡單的外圍元器件設計、更簡化的生產(chǎn)工藝和更好的散熱性能。安森美半導體提供1200 V和650 V/600 V全系列的IPM產(chǎn)品，最高功率等級7.5kW，采用不同的基板技術(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)風扇、空調(diào)、白家電乃至新興的工業(yè)機器人等不同應用及成本需求。

圖1：安森美半導體的IPM陣容

在中大功率工業(yè)控制領域，為支持驅(qū)動電路的多種選擇，安森美半導體推出PIM模塊，如最新的壓鑄模功率集成模塊(TM-PIM)，廣泛運用于中央空調(diào)、變頻控制和伺服控制領域。TM-PIM 集成3相轉換器、逆變器和制動器，采用創(chuàng)新工藝、可靠的基板和環(huán)氧樹脂壓鑄模技術, 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)長的使用壽命及高可靠性。該模塊采用先進的厚銅基板，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：安森美半導體已發(fā)布的TM-PIM

電動汽車充電樁方案

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，汽車正迅速邁向電動汽車發(fā)展，市場期待充電樁達到更高的峰值能效以節(jié)省充電時間和增加續(xù)航里程。充電樁按充電能力分為4級。現(xiàn)有充電樁多為1級或2級。而消費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MOS和SiC的需求越來越強。采用SiC方案將比硅方案小10倍，充電時用電量少60%，達到99%的峰值能效。

表3：電動汽車充電樁按充電能力分為4級

安森美半導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，實現(xiàn)更高能效、更環(huán)保、更快、更小、更輕、更高性價比和更快冷卻的優(yōu)勢，其MOSFET和SiC陣容如下：

表4：充電樁MOS – Easy Drive：用于硬/軟開關，易驅(qū)動，實現(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：用于軟開關拓撲，更小的Qrr和Trr實現(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15 kW/20 kW電動汽車充電樁方案：采用PFC + LLC拓撲，含6個Easy Drive MOSFET FCH040N65S3/FCH029N65S3，6個SiC二極管FFSH20120A/FFSH30120A，8個FRFET MOSFET NTHL040N65S3F/NTHL033N65S3HF，輸出端用16個SiC二極管FFSH2065B/FFSH3065B。SiC二極管能夠提供卓越的開關性能，且比硅具有更高的可靠性，無逆向恢復電流、溫度無關開關特性和卓越的熱性能，使系統(tǒng)具備更高能效、更快的運行頻率、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：電動汽車充電樁典型應用框圖

服務器和工業(yè)電源市場

5G、云數(shù)據(jù)中心電源都對高能效和功率密度有非常高的要求。SiC器件高達98%的能效，完美契合5G和云電源市場的發(fā)展，SiC二極管用于無源PFC級，而氮化鎵(GaN)/SiC成為圖騰柱和LLC級的選擇。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)導通模式(CCM)、雙升壓、全橋拓撲，能效不到95%，2個電感使得開關頻率有限，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是構建80PLUS®Titanium標準電源的一種高性價比方案，用于數(shù)據(jù)中心、計算應用和車載電池充電器。 如Solantro的SA8000-N TP-PFC控制器結合安森美半導體的SiC MOSFET幫助實現(xiàn)超過99%的能效，并提供優(yōu)化的開關模式、可靠的啟動、高功率密度和更低的功率損耗。

輔助電源方案

無論是能源基礎設施，電動汽車充電樁，還是服務器，都需要輔助電源。反激轉換器是最流行的輔助電源拓撲，因為它具有更少的器件數(shù)量和物料單(BOM)成本。對于小于30 W的輸出功率水平，內(nèi)置高壓MOSFET的AC - DC開關電源是易于設計和緊湊尺寸的首選方法。安森美半導體提供從3 W到30 W的廣泛的內(nèi)置高壓MOSFET的 AC – DC電源開關產(chǎn)品陣容，包括NCP107x、NCP1067x和FSL5x8等。對于> 30W的輸出功率水平，通常采用AC - DC控制器IC加外部MOSET方法，以提供設計靈活性并簡化熱管理。為了提高功率密度和轉換能效，安森美半導體提供采用NCP1342的高頻準諧振(QR)反激方案和采用NCP1568的零電壓開關(ZVS)有源鉗位反激方案。變壓器設計是反激設計的關鍵。為幫助電源設計減少開發(fā)工作量，安森美半導體提供一系列交鑰匙參考設計和設計電子表格工具。

安森美半導體的寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)

寬禁帶可以實現(xiàn)太陽能逆變器、服務器電源、電動汽車充電樁等設計的能效和性能飛躍，安森美半導體具備獨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)認證)， GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)，SiC和GaN驅(qū)動器及集成模塊，乃至方案、仿真模型及設計軟件等，并與整個供應鏈中的多家公司合作以降低價格并加快上市時間，其基于物理的模型平臺，可以在工程師測試器件前提供其在整個溫度范圍內(nèi)的性能。

總結

安森美半導體廣泛的產(chǎn)品陣容從 IGBT 和功率 MOSFET，到門極驅(qū)動器、運放、光耦、電源模塊，包括先進的碳化硅及寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)，乃至完整的參考設計、現(xiàn)場應用支援和線上輔助設計的資源及工具，都可幫助工程師解決太陽能、工業(yè)驅(qū)動、電動汽車充電樁、服務器等應用領域不斷提升的能效、功率密度和性能需求，推進創(chuàng)新。