電源的六大酷領(lǐng)域及動(dòng)向

摘要：節(jié)能環(huán)保離不開高能效、高密度的功率器件、模塊，以及各種高精度、低能耗的控制和模擬芯片等。在此，本文選取了六大熱門領(lǐng)域：電力電子器件、汽車電源、USB Type-C供受電、無線充電、能量收集、數(shù)據(jù)中心電源，邀請(qǐng)部分領(lǐng)軍企業(yè)介紹了技術(shù)市場動(dòng)向及新產(chǎn)品。

電力電子器件

IEGT與SiC降低損耗

　　東芝在工業(yè)領(lǐng)域推出大功率器件——IEGT以及碳化硅(SiC)相關(guān)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可以廣泛用到電氣機(jī)車牽引、可再生能源、電力傳輸、工業(yè)變頻、電動(dòng)汽車等工業(yè)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)p小噪聲、裝置體積以及能耗的要求越來越高。

　　東芝是全球第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)IGBT器件的廠家，率先導(dǎo)入了“門級(jí)注入增強(qiáng)”技術(shù)以降低IGBT靜態(tài)損耗，用該技術(shù)注冊了東芝大功率IGBT的專用商標(biāo)---“IEGT”。

　　目前東芝提供從1700V~4500V的高耐壓產(chǎn)品系列。通過使用高耐壓、高結(jié)溫的IEGT及SiC材料等，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能及小型化。

　　在封裝方面，東芝有壓接式封裝IEGT(PPI封裝)，像放大許多的紐扣電池。該封裝從2000年以前開始量產(chǎn)，通過這種獨(dú)特的雙面散熱結(jié)構(gòu)，可以明顯提高功率密度(東芝目前最高提供4.5kV 3KA PPI IEGT)。推薦對(duì)可靠性、高功率密度要求較高的客戶(如柔性直流輸電、海上風(fēng)電等)優(yōu)先選用PPI封裝的IEGT。

　　2014年東芝推出搭載SiC二極管的混合型模塊。這類產(chǎn)品獨(dú)特的構(gòu)造可以大幅度減小在電源開關(guān)時(shí)的損耗，二極管反向恢復(fù)損耗減少97%(3.3kV、1500A產(chǎn)品的數(shù)據(jù))，有最終客戶采用東芝SiC混合模塊做出的變流器比原Si模塊變流器體積減少40%。

　　目前遇到的主要挑戰(zhàn)是SiC器件價(jià)格高、制造良率控制困難。東芝在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)上持續(xù)改良以面對(duì)上述情況。

　　東芝目前量產(chǎn)了三款混合型SiC模塊(SiC二極管+Si IEGT)：1700V 1200A 雙管;1700V 1200A 斬波模塊;3300V 1500A 單管。后續(xù)將會(huì)陸續(xù)推出 All SiC模塊(SiC MOS + SiC 二極管)：1200V/1700V/3300V 系列產(chǎn)品。

　　推薦成本敏感的客戶優(yōu)先試用混合型SiC模塊，后續(xù)逐步切換到All SiC模塊。

IGBT關(guān)斷特性的提升

　　IGBT現(xiàn)在存在的一個(gè)比較大的問題是關(guān)斷特性比較差，這對(duì)應(yīng)用限制比較多。英飛凌是如何解決的?

　　以前，半導(dǎo)體廠家主要從產(chǎn)品的角度如電子學(xué)角度來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。最近，英飛凌提出PToS，也就是從產(chǎn)品到系統(tǒng)。英飛凌從系統(tǒng)的角度，通過與用戶更多的溝通，比如UPS，包括太陽能、風(fēng)能也存在導(dǎo)通電阻、工作溫度的問題。我們從用戶、系統(tǒng)和應(yīng)用的角度來反觀對(duì)產(chǎn)品的需求，進(jìn)而提高產(chǎn)品的性能。對(duì)于新產(chǎn)品來說，我們在去年也推出了一系列新技術(shù)，包括.XT技術(shù)、二極管可控逆導(dǎo)型IGBT技術(shù)等，在降低導(dǎo)通電阻、提高工作節(jié)溫等方面都有出色表現(xiàn)。

SiC耐壓更高，適合工控和EV

　　SiC是這兩年剛剛興起的，主要用在工控/工業(yè)上，例如產(chǎn)線機(jī)器人、逆變器、伺服等。車輛方面，主要是電動(dòng)車(EV)，此外還有工廠車間的搬運(yùn)車等特種車。

　　相比IGBT，SiC可以做到高頻;做成模塊后，由于適應(yīng)高頻，外圍器件例如電感可以減小。因此電壓方面，ROHM推薦1200V的產(chǎn)品，這可體現(xiàn)出耐高壓的特點(diǎn)。

　　現(xiàn)在ROHM SiC模塊中，300A是量產(chǎn)中最大的電流(如圖)，由幾個(gè)芯片并聯(lián)在一起。如果一個(gè)芯片40A左右，就需要約七八個(gè)芯片并聯(lián)，面積只有單個(gè)芯片那么大。絕緣層是由氧化鋁等其他成分組成。

　　ROHM的新產(chǎn)品有“全SiC”功率模塊，特點(diǎn)是高速開關(guān)，低開關(guān)損耗，高速恢復(fù)，消除寄生二極管通電導(dǎo)致的元件劣化問題，可用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變器、轉(zhuǎn)換器、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、感應(yīng)加熱設(shè)備等。此外，ROHM的SiC二極管產(chǎn)品——第2代SiC肖特基勢壘二極管實(shí)現(xiàn)了小級(jí)別的低VF，有小級(jí)別的正向電壓、快速恢復(fù)特性，開關(guān)損耗顯著降低，可用于太陽能功率調(diào)節(jié)器，開關(guān)電源，EV/HEV逆變器和充電器等。

　　不過，和IGBT相比，SiC成本目前還不占優(yōu)勢。SiC二極管比硅二極管產(chǎn)品貴兩三倍，SiC的MOSFET比硅MOSFET貴三到五倍。電動(dòng)汽車上的模塊產(chǎn)品比IGBT的模塊貴五倍以上。因?yàn)槟K更難封裝，原材料也更貴。

汽車電源

滿足電池使用壽命的電池管理系統(tǒng)

　　汽車電子系統(tǒng)中的許多應(yīng)用電路需要連續(xù)供電，即使在汽車停泊時(shí)也不例外，比如：遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入、安全、甚至個(gè)人信息娛樂系統(tǒng)?；蛟S人們很難理解為什么這些系統(tǒng)即使在汽車停駛時(shí)仍然必須保持接通狀態(tài)，但是，出于應(yīng)急和安全的考慮，此類系統(tǒng)的 GPS 關(guān)聯(lián)電路的確必須 “始終保持接通”。這項(xiàng)要求并非可有可無，有了它就可以在需要的情況下通過外部操作實(shí)現(xiàn)基本的控制。此類應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是低靜態(tài)電流，旨在延長電池的使用壽命。凌力爾特一直在生產(chǎn)待機(jī)靜態(tài)電流小于 5μA 的開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　隨著電池越來越多地用作汽車電源，人們同樣需要最大限度地延長其有效使用壽命。電池電量失衡 (電池組中個(gè)別電池單元的電荷狀態(tài)失配) 是大型鋰電池組所存在的一個(gè)問題，其產(chǎn)生根源在于制造工藝、工作條件及電池老化方面的偏差。這種電量失衡會(huì)導(dǎo)致電池組總?cè)萘康南陆?，并有可能損壞電池組。電量失衡將導(dǎo)致電池?zé)o法進(jìn)行從“充電狀態(tài)”到“放電狀態(tài)”的跟蹤，而假如不能進(jìn)行嚴(yán)密的電量監(jiān)視，就會(huì)造成電池過度充電或過度放電，從而將永久性地?fù)p壞電池。

　　業(yè)界的共識(shí)是：當(dāng)制作大型電池組時(shí)，需要進(jìn)行電池電量測量和電池電量平衡以保持高電池容量，從而獲得長久的電池組使用壽命。正是在這一應(yīng)用領(lǐng)域，凌力爾特的新型電池管理系統(tǒng) (BMS) 產(chǎn)品系列受到了用戶的歡迎，已在目前已投產(chǎn)和路上行駛的轎車和公共汽車中使用，并且是為數(shù)極少的 BMS 產(chǎn)品之一。

中國充電基礎(chǔ)設(shè)施有待發(fā)展

　　從全球來看，中國電動(dòng)車的發(fā)展相比較其他國家是最好的。當(dāng)然也存在一些問題和挑戰(zhàn)。尤其在去年，整個(gè)原油的價(jià)格迅速下滑，美國電動(dòng)車的數(shù)量在縮減，而中國電動(dòng)車的數(shù)量在迅速上升。從整體來看，中國電動(dòng)車市場發(fā)展十分迅猛，在去年基本達(dá)到百分比3位數(shù)到4位數(shù)的增長。與此相比，私家車的發(fā)展速度并不是很快。但商用車、客車的發(fā)展非常好。

　　從技術(shù)上來看，電池還是需要很大的突破。目前來看，如果續(xù)航里程200~300公里是比較正常的速度，但后續(xù)的電池需要達(dá)到400~500公里。我們認(rèn)為這是隨著后續(xù)市場發(fā)展壯大而應(yīng)運(yùn)而生的。等到汽車市場發(fā)展到一定速度，電池的技術(shù)肯定能達(dá)到。中國本土電池的技術(shù)需要有更多的突破。全球來看，電池的技術(shù)已經(jīng)滿足目前的需求，后續(xù)會(huì)有所發(fā)展，包括成本會(huì)根據(jù)產(chǎn)量的增長有所下降。

　　中國其實(shí)已經(jīng)具備達(dá)到或超過國際水平的基礎(chǔ)。從電機(jī)和電控技術(shù)提高的角度，讓系統(tǒng)能有更高的效率和更低的成本，英飛凌能夠幫助本土和全球的企業(yè)向這個(gè)方面發(fā)展?？赡芫椭袊就羴砜?，最大的瓶頸是充電的基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。首先要增加大家能看得到的充電設(shè)施，比如在工作場所或居住小區(qū)建立充電設(shè)施。第二是標(biāo)準(zhǔn)化充電設(shè)施的配置。每家車廠充電樁的接口和充電設(shè)施的要求都不是很統(tǒng)一，國家亟需出臺(tái)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)把接口和充電箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的管理。另外，從充電速度上解決充電等待的問題可能也會(huì)加速電動(dòng)車的發(fā)展。我們認(rèn)為技術(shù)應(yīng)該不會(huì)成為電動(dòng)車推廣的瓶頸。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的模塊解決方案

　　電動(dòng)汽車的運(yùn)行條件不同于工業(yè)應(yīng)用條件，對(duì)電驅(qū)動(dòng)用逆變器的核心元器件功率模塊不僅要求體積小、重量輕、效率高、冷卻方法簡單等，而且要求更高的可靠性、更長的壽命以及安全無故障運(yùn)行。

　　三菱電機(jī)最早推出的是客戶定制型的汽車級(jí)IGBT模塊和智能功率模塊(IPM)，隨后推出了非定制型的J-series汽車級(jí)功率模塊T-PM，它是一種采用壓注模封裝的2in1 IGBT模塊，內(nèi)部采用直接主端子綁定結(jié)構(gòu)(DLB)，提高了模塊的功率循環(huán)壽命和熱循環(huán)壽命，內(nèi)置了硅片級(jí)的溫度傳感器(檢測IGBT-chip的結(jié)溫)和電路傳感器(直接檢測發(fā)射極電流)，將其輸出溫度/電流信號(hào)用于過溫保護(hù)和短路保護(hù)時(shí)可使保護(hù)更精確更及時(shí)進(jìn)而更可靠，這些都是電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)器所需要的。同時(shí)，針對(duì)汽車級(jí)模塊的顯著特點(diǎn)，三菱電機(jī)開發(fā)了配套的汽車級(jí)驅(qū)動(dòng)LVIC，它可實(shí)現(xiàn)無負(fù)壓關(guān)斷，并具有在欠壓、過溫及其短路故障時(shí)實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷保護(hù)功能。

　　目前，三菱電機(jī)正在逐步推出新一代的J1-Series汽車級(jí)功率模塊EV PM，J1-series汽車級(jí)功率模塊不僅沿襲了J-series T-PM的顯著優(yōu)點(diǎn)如直接主端子綁定結(jié)構(gòu)(DLB)、硅片級(jí)溫度傳感器和電流傳感器，而且采用更低損耗的第7代CSTBTTM硅片技術(shù)，使效率更高;同時(shí)采用6in1的 Pin-Fin結(jié)構(gòu)，使得封裝尺寸減少40%，導(dǎo)熱性能提高30%，具有更高的功率密度，更便于冷卻及散熱器安裝，提升產(chǎn)品的性能價(jià)格比。

　　如何開發(fā)出滿足汽車要求的功率模塊來說，需要在三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新：即功率硅片技術(shù)、封裝技術(shù)以及功能集成技術(shù)。

　　在功率硅片技術(shù)方面，三菱電機(jī)致力于持續(xù)開發(fā)更低功耗的新一代IGBT硅片技術(shù)乃至Si硅片技術(shù);在封裝技術(shù)上，通過改進(jìn)模塊內(nèi)部構(gòu)造和綁定線技術(shù)以及底板冷卻結(jié)構(gòu)，減小熱阻和封裝尺寸，提高功率密度，同時(shí)提升模塊的可靠性和壽命;在功能集成技術(shù)方面，不斷優(yōu)化內(nèi)置的溫度/電流傳感器，并采用先進(jìn)的智能ASIC和可調(diào)的驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)更高的精度及其性能上的優(yōu)化。

前端蓄電池取電均衡芯片與電池的互相影響

　　從《中國制造2025》中可以看到，國家將大力發(fā)展軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械等十大重點(diǎn)領(lǐng)域或產(chǎn)業(yè)。未來這些行業(yè)的發(fā)展將逐漸呈現(xiàn)日新月異的變化。如，新能源汽車行業(yè)在經(jīng)過多年的醞釀后，發(fā)展已經(jīng)如火如荼。金升陽早在3年前就已經(jīng)非常看好汽車新能源行業(yè)，并針對(duì)該行業(yè)對(duì)電源的特性要求，開發(fā)了一系列電源產(chǎn)品。同時(shí)，針對(duì)目前大熱的軌道交通、電力、醫(yī)療器械等行業(yè)，金升陽也做出了快速響應(yīng)，已經(jīng)積累了豐富的行業(yè)電源應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

　　在汽車電子行業(yè)，金升陽已經(jīng)積累了比較豐富的應(yīng)用案例，會(huì)站在客戶的角度，配合客戶開發(fā)出一些行業(yè)性的創(chuàng)新性電源和應(yīng)用方案。目前在BMS均衡應(yīng)用方案中均衡芯片通常為LTC68系列，供電則是從電池上面取電，這也就使得均衡芯片與電池之間互相影響，影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。金升陽針對(duì)該問題推出新的電源供電方案，從前端的蓄電池上取電，直接輸出60VDC的電壓給LTC68系列供電，完美解決問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。

USB Type-C供受電

電源芯片高能效創(chuàng)新

　　USB Type-C是一種新興的USB 接口形式，可不分正反插入，并集外形小、電力傳輸強(qiáng)(高達(dá)100 W)和傳輸速度快(高達(dá)10 Gbps)等優(yōu)勢，符合移動(dòng)設(shè)備越來越纖薄但電源適配器所需的功率卻不斷增加、消費(fèi)者希望更快充電的趨勢。USB type-C用于快速充電技術(shù)時(shí)，可承受的最大電流由micro USB 的1.8 A提高至3 A。采用高通快速充電3.0時(shí)，在電源適配器里的次級(jí)端需要一個(gè)IC經(jīng)由USB電纜來連接高通IC:USB D+ 和D- 用于發(fā)送來自便攜式設(shè)備的信息到適配器，次級(jí)端控制器處理所需的輸出電壓，解碼D+和D-信號(hào)信息，請(qǐng)求初級(jí)端AC-DC控制器通過光耦來調(diào)節(jié)所需的輸出電壓。電源芯片需要最大限度地縮減尺寸、提升能效及功率密度和降低待機(jī)功耗，以配合快速充電的發(fā)展需求及符合最新的能效法規(guī)，如美國能源部DOE要求空載能耗<100 mW，歐盟CoCV5 Tier 2要求空載能耗<75 mW。

　　安森美推出符合新的高通快速充電3.0的AC-DC適配器方案，該方案集成NCP4371次級(jí)端充電控制器、NCP4308同步整流控制器和NCP1361/6初級(jí)端穩(wěn)流準(zhǔn)諧振PWM控制器，其中，NCP4371支持充電器USB總線電壓根據(jù)手機(jī)或便攜式設(shè)備的需求而變化，為優(yōu)化電池充電時(shí)間，USB總線電壓可在3.6 V-20 V以分立步驟控制。NCP4371也無需次級(jí)并聯(lián)穩(wěn)壓器，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)充電器設(shè)計(jì)，節(jié)省了成本和所需空間。NCP1361采用初級(jí)端穩(wěn)流，而無需次級(jí)反饋回路，減少外部元件，節(jié)省占板空間，啟動(dòng)時(shí)間少，輕載時(shí)提供固定峰值電流及深度頻率反走，實(shí)現(xiàn)高平均能效和低待機(jī)能耗。NCP4308則作為實(shí)現(xiàn)高功率密度的一個(gè)選擇。

具有PD功能的Type-C 能讓充電變得無處不在

　　具有PD功能的Type-C能讓充電變得無處不在。比如，你可以用同一個(gè)充電器，去給電腦，手機(jī)，移動(dòng)電源充電;你也可以讓手機(jī)，平板，筆記本電腦相互分享電。分享電時(shí)你可以改變供電的方向等。 你可以把車載蓄電池，電動(dòng)車的鋰電池，以及便攜式設(shè)備的鋰電池都當(dāng)做充電寶，為你手機(jī)充電，提供應(yīng)急之需。

　　由于Type-C/PD既可以讓所有支持Type-C/PD的設(shè)備兼容，也可以定義自己私有的充電方案，這會(huì)給充電領(lǐng)域帶來很多可以創(chuàng)新的和定制的東西。要支持Type-C/PD充電，充電器端和被充電設(shè)備端都需要進(jìn)行Type-C/PD的改造。硬件上，需要增加Type-C/PD的管理芯片，協(xié)議上，要支持PD協(xié)議，可以增加用戶自己定義的協(xié)議。對(duì)于充電器而言，前端AC/DC的設(shè)計(jì)無需改動(dòng)，但是必須能和Type-C/PD芯片進(jìn)行信息和狀態(tài)交互。這樣Type-C/PD芯片就管理充電的過程。對(duì)于一個(gè)移動(dòng)充電寶，最有意義的事情是，你可以使用PD協(xié)議進(jìn)行快充，而無需用QC2.0 or QC3.0 等私有協(xié)議。 可以使用現(xiàn)成的Boost 或者Buck 電路，也可以根據(jù)客戶需求采用不同的BUCK 或者電路。因?yàn)檩斎腚妷汉洼斎腚娏鞫伎梢匀我膺x擇(<20V, <5A)。

無線充電

無線供電需要商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變

　　無線供電技術(shù)因其在移動(dòng)設(shè)備市場不再需要充電時(shí)的電源線，有望提高設(shè)備連接器的安全性、防水性、防塵性，一個(gè)供電裝置可用于各種終端等優(yōu)勢而備受矚目。不過，構(gòu)想盡管良好，真正實(shí)現(xiàn)起來需要的不僅是技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的成熟，還需要商業(yè)模式等方式方法的創(chuàng)新。

　　首先讓我們回顧一下無線供電的歷史。無線供電的鼻祖是法拉第，他于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。1890時(shí)代特斯拉曾著手實(shí)驗(yàn)無線供電的商業(yè)化應(yīng)用，他在紐約建立了Wardenclyffe塔，但由于與資助方金融寡頭J.P.摩根的意圖——進(jìn)行無線通訊商業(yè)化的研究方向不符，最終導(dǎo)致項(xiàng)目擱淺。之后的近一個(gè)世紀(jì)，無線供電陷于停滯。

　　時(shí)間推移到1987年，市場上出現(xiàn)了無線充電的電動(dòng)牙刷。之后的2010年前后，隨著智能手機(jī)市場的爆發(fā)性增長以及頻繁的電池充電需求，無線充電又重新受到了業(yè)界的重視，qi,WiTricity等標(biāo)準(zhǔn)組織開始建立，終于為這項(xiàng)歷經(jīng)漫長發(fā)展過程的技術(shù)奠定了大眾化應(yīng)用的基礎(chǔ)。2012年起，隨著標(biāo)準(zhǔn)制定的完備，以及包括三星、SONY、LG、宜家等初期采用者日益增加，讓無線充電的發(fā)展趨于成熟。經(jīng)過長期的醞釀，無線充電有望迎來被大眾市場采用的重要轉(zhuǎn)折時(shí)刻。

　　在智能手機(jī)普及的引領(lǐng)下，無線充電未來將會(huì)擴(kuò)大到更多的產(chǎn)品中，包括電腦外設(shè)、家具、醫(yī)療設(shè)備以及其他便攜式設(shè)備。

　　為了方便無線充電的設(shè)計(jì)應(yīng)用，IDT推出一套符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的5W無線充電發(fā)射器與接收器打包解決方案，包括參考電路板與相關(guān)設(shè)計(jì)資源，設(shè)計(jì)人員僅需幾小時(shí)便能快速完成原型，并簡化整個(gè)流程。

　　“為了促進(jìn)無線充電的推廣，IDT的商業(yè)模式也進(jìn)行了調(diào)整。”Graham Robertson在“euroasia PRESS 1:1”會(huì)議上解釋道，IDT通常是B2B(企業(yè)-企業(yè))業(yè)務(wù)模式的廠商，通過無線充電套件的推出，并放在電子商務(wù)網(wǎng)站上銷售，IDT開始嘗試B2C(企業(yè)-消費(fèi)者)業(yè)務(wù)模式，以便將技術(shù)擴(kuò)大到更廣泛的大眾市場，讓更多開發(fā)人員能夠發(fā)揮創(chuàng)意，使無線充電技術(shù)的應(yīng)用更為多元化。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第6頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。