東芝：以變革技術(shù)引領(lǐng)電機能效升級

在后疫情時代，隨著社會生活的逐步開放，恢復(fù)被疫情耽誤的經(jīng)濟活動將成為重中之重，其中工業(yè)控制、新能源汽車、智能家電的市場需求將會加速增長。

就電機而言，隨著電氣設(shè)備自動化程度的不斷提高，電機的應(yīng)用范圍越來越廣泛，單個設(shè)備的電機用量也在不斷增加。據(jù)相關(guān)報道，僅僅中國國內(nèi)家電市場的電機年需求量就超過10 億臺。另外，隨著新能源汽車產(chǎn)量的高速增長和汽車電動化程度的不斷提高，車用電機的需求量快速增長，一般來說經(jīng)濟型燃油車會配備10 個左右的電機，普通汽車會配備20~30 個電機，而豪華車會配備60~70 個電機，甚至上百個電機，新能源汽車需要的電機會更多。就電機的種類而言，隨著碳達(dá)峰碳中和政策的實施，以及設(shè)備自動化程度的不斷提高而帶來的電機使用量的增加，電機系統(tǒng)的功耗變得不可忽視，再加上人們對電機低噪音、高速穩(wěn)定工作以及電機使用壽命長等需求，無刷電機的滲透率逐年增長，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，無刷電機在汽車中的滲透率約為30%，在家電中的滲透率為20%。但是，相比有刷電機，驅(qū)動無刷直流電機需要一個比較復(fù)雜的電機控制驅(qū)動電路，這就給廣大半導(dǎo)體芯片廠商提供了一個商業(yè)機會。東芝在電機控制驅(qū)動電路方面積累了豐富的經(jīng)驗，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)投放市場40 多年，涵蓋了消費類、工業(yè)類和車載類等應(yīng)用領(lǐng)域，并且根據(jù)客戶需求進(jìn)行著持續(xù)開發(fā)改進(jìn)。

東芝作為電機驅(qū)動電路的主要供應(yīng)商之一，在電機控制驅(qū)動系統(tǒng)中的產(chǎn)品主要有MCU、MCD、IPD、MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 等相關(guān)器件，分為消費類、工業(yè)類以及車載類等不同應(yīng)用類型。

在直流無刷電機控制驅(qū)動IC中，采用了東芝原創(chuàng)的智能相位控制技術(shù)，使得使用東芝無刷電機驅(qū)動IC的解決方案的開發(fā)過程得到優(yōu)化。由于市場對于節(jié)能、電機安靜運行的要求越來越高，直流無刷（BLDC）電機被廣泛應(yīng)用于各種場合。為了提高電機的驅(qū)動效率，通常需要一個復(fù)雜的控制流程，東芝提供的電機驅(qū)動控制電路解決方案可以簡化這一流程。為了適應(yīng)各種不同的應(yīng)用需求，東芝開發(fā)了豐富的無刷直流電機控制驅(qū)動相關(guān)產(chǎn)品線，包括MCU、MCD、IPD以及用于輸出驅(qū)動的分立器件，如MOSFET、IGBT以及第三代半導(dǎo)體的SiC產(chǎn)品。特別是在MCD產(chǎn)品中包含了驅(qū)動電路型MCD、預(yù)驅(qū)電路型MCD、控制器型MCD以及柵極驅(qū)動電路型MCD等四種類型，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，可選用不同的電路配置以滿足不同的需求。

圖 四種不同類型的直流無刷電機控制原理

電機控制驅(qū)動電路配置的最后一種類型采用的是：MCU+柵極驅(qū)動電路+輸出電路的形式。MCU是電機控制的核心單元，為了提高電機控制的精度和速度，矢量引擎被廣泛采用，傳統(tǒng)的矢量控制需要消耗大量的軟件資源。如果矢量控制軟件占用了嵌入式存儲器的主要容量，那么因軟件資源不足會導(dǎo)致微控制器不能有效地工作。東芝在微控制器中引入了1 個硬件IP，它能在沒有CPU詳細(xì)指令的情況下處理矢量控制中的復(fù)雜計算。硬件IP 是矢量引擎。矢量引擎執(zhí)行從3 相到2 相的轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和反向轉(zhuǎn)換，它們是矢量控制中的主要計算。在矢量控制中與矢量引擎配合使用將會大大提高微控制器的性能。

近年來，隨著社會對電動汽車需求的增長，產(chǎn)業(yè)對能滿足車載設(shè)備更大功耗的元器件的需求也在增加。新品采用了東芝的新型L-TOGL封裝，支持大電流、低導(dǎo)通電阻和高散熱。上述產(chǎn)品未采用內(nèi)部接線柱結(jié)構(gòu)，通過引入1 個銅夾片將源極連接件和外部引腳一體化。源極引腳采用多針結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的TO-220SM(W) 封裝相比，封裝電阻下降大約30%，從而將XPQR3004PB的漏極額定電流（DC）提高到400 A，高出當(dāng)前產(chǎn)品1.6倍。厚銅框的使用使XPQR3004PB 內(nèi)的溝道到外殼熱阻降低到當(dāng)前產(chǎn)品的50%。這些特性有利于實現(xiàn)更大的電流，并降低車載設(shè)備的損耗。

憑借新型封裝技術(shù)，新產(chǎn)品可進(jìn)一步簡化散熱設(shè)計，顯著減少半導(dǎo)體繼電器和一體化起動發(fā)電機變頻器等需要大電流的應(yīng)用所需的MOSFET的數(shù)量，進(jìn)而幫助系統(tǒng)縮小設(shè)備尺寸。當(dāng)需要并聯(lián)多個器件為應(yīng)用提供更大工作電流時，東芝支持這兩款新品分組出貨，即按柵極閾值電壓對產(chǎn)品分組。這樣可以確保設(shè)計使用同一組別的產(chǎn)品，從而減少特性偏差。

因為車載設(shè)備可能工作在各種溫度環(huán)境下，所以表面貼裝的焊點可靠性是一個需要考慮的關(guān)鍵因素。新品采用鷗翼式引腳降低貼裝應(yīng)力，提高焊點可靠性。

在碳化硅產(chǎn)品上，東芝已經(jīng)推出了3 代產(chǎn)品，第三代碳化硅SiC MOSFET 推出電壓分別為650 V 和1 200 V 的兩款系列產(chǎn)品。與第二代產(chǎn)品一樣，東芝新三代MOSFET 內(nèi)置了與SiC MOSFET 內(nèi)部PN 結(jié)二極管并聯(lián)的SiC 肖特基勢壘二極管（SBD），其正向電壓（V_F）低至-1.35 V（典型值），以抑制R_DS(on)波動，從而提高可靠性。此外，與第2 代產(chǎn)品相比，東芝先進(jìn)的SiC 工藝顯著改善了單位面積導(dǎo)通電阻RonA，以及代表開關(guān)特性的性能指標(biāo)Ron*Qgd。此外，極驅(qū)動電路設(shè)計簡單，可防止開關(guān)噪聲引起的故障。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）