電源的六大酷領(lǐng)域及動向

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，邀請部分領(lǐng)軍企業(yè)介紹了技術(shù)市場動向及新產(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車牽引、可再生能源、電力傳輸、工業(yè)變頻、電動汽車等工業(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。

　　東芝是全球第一個商業(yè)化生產(chǎn)IGBT器件的廠家，率先導(dǎo)入了“門級注入增強”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)品獨特的構(gòu)造可以大幅度減小在電源開關(guān)時的損耗，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器件價格高、制造良率控制困難。東芝在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝設(shè)計上持續(xù)改良以面對上述情況。

　　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)在存在的一個比較大的問題是關(guān)斷特性比較差，這對應(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)用的角度來反觀對產(chǎn)品的需求，進而提高產(chǎn)品的性能。對于新產(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)線機器人、逆變器、伺服等。車輛方面，主要是電動車(EV)，此外還有工廠車間的搬運車等特種車。

　　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。

　　現(xiàn)在ROHM SiC模塊中，300A是量產(chǎn)中最大的電流(如圖)，由幾個芯片并聯(lián)在一起。如果一個芯片40A左右，就需要約七八個芯片并聯(lián)，面積只有單個芯片那么大。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，可用于電機驅(qū)動、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現(xiàn)了小級別的低VF，有小級別的正向電壓、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。電動汽車上的模塊產(chǎn)品比IGBT的模塊貴五倍以上。因為模塊更難封裝，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，即使在汽車停泊時也不例外，比如：遙控?zé)o鑰匙進入、安全、甚至個人信息娛樂系統(tǒng)。或許人們很難理解為什么這些系統(tǒng)即使在汽車停駛時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現(xiàn)基本的控制。此類應(yīng)用的一項關(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。這種電量失衡會導(dǎo)致電池組總?cè)萘康南陆担⒂锌赡軗p壞電池組。電量失衡將導(dǎo)致電池?zé)o法進行從“充電狀態(tài)”到“放電狀態(tài)”的跟蹤，而假如不能進行嚴(yán)密的電量監(jiān)視，就會造成電池過度充電或過度放電，從而將永久性地損壞電池。

　　業(yè)界的共識是：當(dāng)制作大型電池組時，需要進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，整個原油的價格迅速下滑，美國電動車的數(shù)量在縮減，而中國電動車的數(shù)量在迅速上升。從整體來看，中國電動車市場發(fā)展十分迅猛，在去年基本達到百分比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)會有所發(fā)展，包括成本會根據(jù)產(chǎn)量的增長有所下降。

　　中國其實已經(jīng)具備達到或超過國際水平的基礎(chǔ)。從電機和電控技術(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，國家亟需出臺統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)把接口和充電箱進行標(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加速電動車的發(fā)展。我們認(rèn)為技術(shù)應(yīng)該不會成為電動車推廣的瓶頸。

電動汽車驅(qū)動的模塊解決方案

　　電動汽車的運行條件不同于工業(yè)應(yīng)用條件，對電驅(qū)動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行。

　　三菱電機最早推出的是客戶定制型的汽車級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/電流信號用于過溫保護和短路保護時可使保護更精確更及時進而更可靠，這些都是電動汽車用驅(qū)動器所需要的。同時，針對汽車級模塊的顯著特點，三菱電機開發(fā)了配套的汽車級驅(qū)動LVIC，它可實現(xiàn)無負壓關(guān)斷，并具有在欠壓、過溫及其短路故障時實現(xiàn)軟關(guān)斷保護功能。

　　目前，三菱電機正在逐步推出新一代的J1-Series汽車級功率模塊EV PM，J1-series汽車級功率模塊不僅沿襲了J-series T-PM的顯著優(yōu)點如直接主端子綁定結(jié)構(gòu)(DLB)、硅片級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，需要在三個方面進行技術(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，并采用先進的智能ASIC和可調(diào)的驅(qū)動器，實現(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?？春闷囆履茉葱袠I(yè)，并針對該行業(yè)對電源的特性要求，開發(fā)了一系列電源產(chǎn)品。同時，針對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。

　　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(高達100 W)和傳輸速度快(高達10 Gbps)等優(yōu)勢，符合移動設(shè)備越來越纖薄但電源適配器所需的功率卻不斷增加、消費者希望更快充電的趨勢。USB type-C用于快速充電技術(shù)時，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，在電源適配器里的次級端需要一個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，次級端控制器處理所需的輸出電壓，解碼D+和D-信號信息，請求初級端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次級端充電控制器、NCP4308同步整流控制器和NCP1361/6初級端穩(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)手機或便攜式設(shè)備的需求而變化，為優(yōu)化電池充電時間，USB總線電壓可在3.6 V-20 V以分立步驟控制。NCP4371也無需次級并聯(lián)穩(wěn)壓器，就能實現(xiàn)一個充電器設(shè)計，節(jié)省了成本和所需空間。NCP1361采用初級端穩(wěn)流，而無需次級反饋回路，減少外部元件，節(jié)省占板空間，啟動時間少，輕載時提供固定峰值電流及深度頻率反走，實現(xiàn)高平均能效和低待機能耗。NCP4308則作為實現(xiàn)高功率密度的一個選擇。

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，你可以用同一個充電器，去給電腦，手機，移動電源充電;你也可以讓手機，平板，筆記本電腦相互分享電。分享電時你可以改變供電的方向等。 你可以把車載蓄電池，電動車的鋰電池，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。對于充電器而言，前端AC/DC的設(shè)計無需改動，但是必須能和Type-C/PD芯片進行信息和狀態(tài)交互。這樣Type-C/PD芯片就管理充電的過程。對于一個移動充電寶，最有意義的事情是，你可以使用PD協(xié)議進行快充，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。因為輸入電壓和輸入電流都可以任意選擇(<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)因其在移動設(shè)備市場不再需要充電時的電源線，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時代特斯拉曾著手實驗無線供電的商業(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——進行無線通訊商業(yè)化的研究方向不符，最終導(dǎo)致項目擱淺。之后的近一個世紀(jì)，無線供電陷于停滯。

　　時間推移到1987年，市場上出現(xiàn)了無線充電的電動牙刷。之后的2010年前后，隨著智能手機市場的爆發(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)折時刻。

　　在智能手機普及的引領(lǐng)下，無線充電未來將會擴大到更多的產(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)計資源，設(shè)計人員僅需幾小時便能快速完成原型，并簡化整個流程。

　　“為了促進無線充電的推廣，IDT的商業(yè)模式也進行了調(diào)整。”Graham Robertson在“euroasia PRESS 1:1”會議上解釋道，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)-消費者)業(yè)務(wù)模式，以便將技術(shù)擴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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。