新一代功率器件及電源管理IC的發(fā)展概況

作者 / 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要：介紹了包括SiC、GaN在內的新一代功率器件，面向工業(yè)和汽車(chē)的新型功率模塊，可穿戴設備的電源管理IC的發(fā)展概況及相關(guān)新技術(shù)和熱門(mén)產(chǎn)品。

新一代功率器件動(dòng)向：SiC和GaN

英飛凌：功率半導體技術(shù)進(jìn)步為電路創(chuàng )新提供契機

　　近年來(lái)，由于節能環(huán)保的概念日益深化，在資源有限的現實(shí)環(huán)境下，各國政府以及相關(guān)機構也相應制定出法律法規，積極發(fā)展綠色能源。例如太陽(yáng)能、電動(dòng)車(chē)以及充電站等配套設備，需要依靠高效率的電源轉換器，才能使設備發(fā)揮出最佳性能。

　　電源轉換器技術(shù)著(zhù)重在高功率密度以及高轉換效率，可進(jìn)一步縮小轉換器的重量與體積，提高能源的利用率。目前電源技術(shù)拓撲架構發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，不同的功率都有與其相適應的轉換器架構，如果想要進(jìn)一步提升效率，重點(diǎn)在于新的功率元件材料的使用。功率半導體技術(shù)進(jìn)步也為電路創(chuàng )新提供契機，新的電源拓撲結構不斷創(chuàng )新，傳統簡(jiǎn)單的拓撲得以重生。

　　英飛凌碳化硅和氮化鎵領(lǐng)域產(chǎn)品

　　為了滿(mǎn)足上述趨勢需求，近年來(lái)，像碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這樣的寬能隙材料應運而生且被成功地商品化。而英飛凌最新一代GaN系列產(chǎn)品，已經(jīng)實(shí)現了功率轉化效率達到硅芯片10到100倍的突破性改善效果。

　　英飛凌持續關(guān)注基于復合半導體的新技術(shù)，擴展SiC和GaN領(lǐng)域的產(chǎn)品。2017財年，在SiC MOSFET產(chǎn)品方面實(shí)現首次營(yíng)收，這一關(guān)鍵技術(shù)的突破性進(jìn)展為持續成功奠定基礎。2017年英飛凌推出了分立器件和模塊，即TO-247的三管腳、四管腳封裝。模塊包括EasyB 系列和62 mm封裝系列，可用于太陽(yáng)能、傳動(dòng)UPS和電源應用上。

　　首先，1200 V SiC MOSEFT采用的溝槽柵技術(shù)的一大優(yōu)勢在于持久的堅固耐用性，失效率很低，這得益于門(mén)級氧化層的可靠性;第二，實(shí)現業(yè)界SiC器件導通、開(kāi)關(guān)損耗最低，溫升最低，效率最高;第三，英飛凌SiC器件有高可靠性。這是由于其具備較低的失效率(FIT)和有效的短路能力，可適應不同的應用挑戰。得益于4 V的閾值電壓(Vth)和+15 V的推薦接通閾值(VGS)，可以像驅動(dòng)IGBT一樣驅動(dòng)英飛凌的SiC MOSEFT，在發(fā)生故障時(shí)得以安全關(guān)閉。用戶(hù)不需要專(zhuān)門(mén)再設計特別的驅動(dòng)電力，這樣就大大提高了碳化硅產(chǎn)品普及的速度。

新一代功率器件動(dòng)向：SiC和GaN

　　更為嚴格的行業(yè)標準和政府法規的變遷是更高能效產(chǎn)品的關(guān)鍵驅動(dòng)因素。例如數據中心正呈指數級增長(cháng)以跟上需求，其耗電量約占全球總電力供應量(+ 400 TWh)的3%，也占總溫室氣體排放量的2%，與航空業(yè)的碳排放量相同。在這些巨大的能源需求之下，各地政府正加緊實(shí)施更嚴格的標準和新的法規，以確保所有依賴(lài)能源的產(chǎn)品必須達到高能效。

　　我們也看到對更高功率密度和更小空間的需求。電動(dòng)汽車(chē)正嘗試減輕重量并提高能效，以實(shí)現更高的續航里程。車(chē)載充電器(OBC)和牽引逆變器如今正在采用寬禁帶產(chǎn)品來(lái)達標。

　　SiC和GaN是寬禁帶(WBG)材料，為下一代功率器件提供基礎。與硅相比，它們的特性和性能更出色，因為其類(lèi)金剛石的結構要求更高的能量，以將穩定的電子移動(dòng)到傳導之中。

　　其主要的優(yōu)勢之一是顯著(zhù)減少開(kāi)關(guān)損耗，這使器件工作更低溫，有助于縮小散熱器和成本。其次是增加了開(kāi)關(guān)速度。如今設計師能超越硅MOSFET或IGBT的物理極限，讓系統能夠減少變壓器、電感器和電容器等無(wú)源元件。因此WBG方案能提高系統能效、縮小尺寸、降低元件成本及提高功率密度。

　　安森美SiC及GaN產(chǎn)品

　　SiC二極管廣泛用于各種要求最高能效的PFC拓撲。EMI極快的反向恢復使其也更容易處理。安森美半導體提供完整的650 V和1200 V SiC二極管陣容，涵蓋單相和多相應用中的所有功率范圍。

　　GaN越來(lái)越被市場(chǎng)所接受。該技術(shù)經(jīng)歷了幾次迭代;從“D模式”到共源共柵(Cascode)，再到現在最新的“E模式”(常關(guān))設備。GaN具有閃電般速度，對PCB布局和門(mén)驅動(dòng)的要求很高。我們看到設計人員正了解如何使用GaN及其與硅相比的顯著(zhù)優(yōu)勢。

SiC和GaN產(chǎn)品市場(chǎng)趨勢及力特提供的產(chǎn)品

　　碳化硅半導體類(lèi)功率器件例如MOS管具有非常小的門(mén)極電荷和開(kāi)關(guān)損耗，而且很容易驅動(dòng)工作在本體溫度超過(guò)150 ℃的情況下。還很容易提升MOS管工作電壓到1200 V或1700 V。這些是對于傳統硅MOS管來(lái)說(shuō)是很明顯的優(yōu)勢， 在一些功率轉換應用中同樣的芯片大小或封裝大小，SiC器件散熱將不再是一個(gè)大問(wèn)題。

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的SiC/GaN外延片準備就緒，商用SiC和GaN材料有一個(gè)更好的成本去生產(chǎn)SiC元器件，像SiC肖特基二極管、SiC MOS管、SiC TVS二極管、SiC防靜電二極管等。

　　美國力特從2014年起，通過(guò)自身開(kāi)發(fā)功率器件和收購第三方功率器件公司，持續增加對功率控制業(yè)務(wù)的投資。在2015年，力特通過(guò)控股Monolithic半導體公司擴充了SiC半導體產(chǎn)品線(xiàn);2017年，力特收購IXYS公司。所有這些步驟鞏固了力特在功率半導體業(yè)務(wù)的地位。

　　對于SiC產(chǎn)品而言，力特在市場(chǎng)投放了1200 V 碳化硅肖特基二極管系列和一個(gè)重要的1200 V SiC MOS管。2018年還會(huì )有一些激動(dòng)人心的產(chǎn)品發(fā)布，包括1700 V SiC MOS管和SiC肖特基二極管，650 V SiC肖特基二極管。關(guān)于市場(chǎng)需求和電動(dòng)汽車(chē)增長(cháng)，900 V SiC MOS管和650 V碳化硅肖特基二極管也在產(chǎn)品路標中，預計2018年底投放市場(chǎng)。力特非常致力于給予電動(dòng)汽車(chē)充電樁，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器、風(fēng)能、太陽(yáng)能、工業(yè)驅動(dòng)、服務(wù)器和以太網(wǎng)電源這些高功率高效率電源轉換系統以SiC產(chǎn)品解決方案。

SiC將與IGBT或MOSFET共存

　　瑞薩電子中國汽車(chē)電子業(yè)務(wù)中心高級部門(mén)專(zhuān)家落合康彥表示，雖然SiC有成本方面的問(wèn)題，但是其眾所周知的在各個(gè)高端應用中所表現出的高性能也能夠彌補其在價(jià)格方面的短板，尤其是電動(dòng)車(chē)與再生能源越來(lái)越受到重視，將為中功率、高功率應用領(lǐng)域帶來(lái)大量需求。GaN技術(shù)能夠降低成本，又能夠保持半導體器件的優(yōu)越性能，在中、低功率應用領(lǐng)域具備擁有巨大潛力。但也并不是說(shuō)將來(lái)所有的功率器件都會(huì )被SiC替代，瑞薩認為SiC和現存的IGBT或MOSFET都能在其有優(yōu)勢的領(lǐng)域中共同發(fā)揮所長(cháng)，共生共棲。

　　瑞薩電子已經(jīng)推出了集成電源轉換電路的低損耗SiC功率器件，能夠提供工業(yè)設備的電源產(chǎn)品的功率器件的解決方案，同時(shí)也著(zhù)手開(kāi)始以面向車(chē)載為重點(diǎn)的SiC MOSFET的研發(fā)，為電動(dòng)汽車(chē)的應用帶來(lái)更好的解決方案。

納微GaNFast解決方案

　　伴隨著(zhù)寬帶隙技術(shù)將取代舊式硅器件，這將是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的時(shí)代。平面GaN器件正在取代高達650 V和5 KW的Si FET器件，而在更高電壓和功率水平應用中，垂直SiC部件取代Si IGBT。納微通過(guò)全新的高成本效益GaNFast解決方案，著(zhù)手解決價(jià)值300億美元的Si FET和驅動(dòng)器市場(chǎng)需求。

　　FET、驅動(dòng)器和邏輯電路的單片集成，全部采用650 V GaN工藝，從而實(shí)現許多軟開(kāi)關(guān)拓撲和應用中的高速、高頻率、高效率操作。這意味著(zhù)Navitas GaNFast器件和參考設計實(shí)現了小尺寸、低重量和高效率水平，為從智能手機和平板電腦到筆記本電腦、監視器和游戲系統等終端產(chǎn)品帶來(lái)快速充電速度。近期納微公司宣布推出27 W USB-PD快速充電器和世界上通用適配器。GaN集成技術(shù)已經(jīng)克服了工程和商業(yè)上的障礙，以實(shí)現新一代高頻率、高效率和高密度電源系統。

工業(yè)和汽車(chē)

ADI的μModule?完整電源解決方案

　　ADI的 μModule? (微型模塊) 產(chǎn)品是完整的系統級封裝 (SiP) 解決方案，可極大限度縮短設計時(shí)間，并解決工業(yè)和醫療系統中常見(jiàn)的電路板空間和安裝密度問(wèn)題。其在緊湊的表面貼裝型 BGA 或 LGA 封裝中內置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償組件和電感器。在設計中采用 ADI 的 μModule 產(chǎn)品，能使完成設計過(guò)程所需的時(shí)間縮減 50%，這取決于設計的復雜程度。μModule 系列將組件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔從設計師轉移到了器件身上，從而縮短了總體設計時(shí)間和系統故障排除過(guò)程，并最終加快了產(chǎn)品上市速度。

　　μModule 產(chǎn)品系列廣泛適合于眾多的應用，包括負載點(diǎn)穩壓器、電池充電器、LED 驅動(dòng)器、電源系統管理 (PMBus 數字控制式電源) 和隔離式轉換器。μModule 電源產(chǎn)品是高度集成的解決方案，可為每款器件提供 PCB 光繪 (Gerber) 文件，因而能在滿(mǎn)足時(shí)間和空間限制條件的同時(shí)提供一種高效、可靠的解決方案，某些產(chǎn)品還可符合 EN55022 Class B 標準以達到低 EMI 要求。這使得它們非常適用于汽車(chē)、工業(yè)和廣泛的通信系統。

　　由于設計資源在系統復雜性增加和設計周期縮短的情況下變得緊張，因此工作重點(diǎn)放在了系統關(guān)鍵知識產(chǎn)權的開(kāi)發(fā)上。這常常意味著(zhù)電源部分會(huì )被暫時(shí)擱置在一邊，直到開(kāi)發(fā)周期的后期才會(huì )予以考慮。由于留出的時(shí)間微乎其微，而且專(zhuān)業(yè)的電源設計資源可能十分有限，因此要開(kāi)發(fā)出具有盡可能小占板面積的高效率解決方案;同時(shí)還在可能的情況下充分利用 PCB 背面上的未用面積以實(shí)現最大的空間利用率，這就面臨壓力了。

　　μModule 穩壓器提供了一種理想的應對方案;其原理是“內繁外簡(jiǎn)”，兼具開(kāi)關(guān)穩壓器效率高和線(xiàn)性穩壓器設計簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在開(kāi)關(guān)穩壓器的設計中，謹慎的設計、PCB 布局和組件選擇是非常重要的，許多有經(jīng)驗的設計師在其職業(yè)生涯的早期都曾經(jīng)嗅到過(guò)燃燒的電路板所散發(fā)出的獨特“香味”。當時(shí)間短或電源設計經(jīng)驗有限時(shí)，現成的 μModule 穩壓器可節省時(shí)間并降低項目所承受的風(fēng)險。LTM4661 是一款新推出的 μModule 穩壓器。

整套設備的智能化將是大勢所趨

　　瑞薩電子中國汽車(chē)電子業(yè)務(wù)中心高級部門(mén)專(zhuān)家落合康彥表示，面向工業(yè)設備的電源產(chǎn)品的使用條件比較苛刻，有的應用需要24小時(shí)365天無(wú)間斷運轉，所以設計與研發(fā)電源產(chǎn)品時(shí)，對功率器件要求很高，必須有要兩個(gè)方面的技術(shù)考慮：一是損耗特性，由于無(wú)間斷運轉的需求，如何減少器件所產(chǎn)生的損耗對工廠(chǎng)電費有直接影響。且不同的應用需要不同的開(kāi)關(guān)頻率，按照實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率要求，決定優(yōu)先考慮的是導通損耗還是開(kāi)關(guān)損耗，而后決定最佳的選擇;二是可靠性，特別是在無(wú)人工廠(chǎng)，器件的故障會(huì )直接影響到工廠(chǎng)運作造成損失，所以器件的耐受性也是需要優(yōu)先考慮的。電源產(chǎn)品的智能化有助于解決這些問(wèn)題，但是電源產(chǎn)品所采用的功率器件是比較大的，通常是多個(gè)芯片的并聯(lián)使用，所以瑞薩電子認為不是單個(gè)芯片(或芯片群)的智能化，而是整套設備的智能化必將是大勢所趨。

　　瑞薩電子在純電動(dòng)車(chē)的功率器件上具有很多優(yōu)勢，在應用方面，純電動(dòng)車(chē)用的IGBT有非常大的發(fā)展前途。特別是在中國，由于政府主導以及社會(huì )的對環(huán)保的重視，可期待在中國市場(chǎng)有區別于其他國家和地區的大規模且迅速的發(fā)展。瑞薩電子將會(huì )針對純電動(dòng)車(chē)的應用而研發(fā)出最佳的電源產(chǎn)品，為顧客提供整個(gè)智能化的變頻器解決方案。

工業(yè)及汽車(chē)功率模塊的市場(chǎng)技術(shù)方案需求

　　功率半導體/電源管理方案的市場(chǎng)趨勢與各政府政策/各種能源法規/新應用市場(chǎng)規模的增長(cháng)等密切相關(guān)。近年來(lái)，由于工業(yè)/工廠(chǎng)自動(dòng)化和電動(dòng)汽車(chē)應用的擴展，中國是這一趨勢變化最大的國家，而由于空氣污染問(wèn)題，中國政府將煤轉電政策推向全國。亞洲其他地區包括韓國和日本也以稅務(wù)或補貼計劃加快推動(dòng)高能效的方案。雖然歐洲、中東和非洲以及美國市場(chǎng)略弱于其它地區，但也逐漸開(kāi)始投資這市場(chǎng)，尤其是工業(yè)逆變器和電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展。

　　這些應用的關(guān)鍵是“高能效、高集成度、高密度”，安森美半導體完全符合市場(chǎng)對細節/多樣化的需求，相信功率模塊絕對是正解。市場(chǎng)需要不同應用的模塊方案，工業(yè)/ 暖通空調市場(chǎng)需要IPM(智能功率模塊)和PIM(功率集成模塊)，汽車(chē)市場(chǎng)需要牽引模塊、OBC(車(chē)載充電器)模塊和IPM。市場(chǎng)需要模塊的主因是客戶(hù)要實(shí)現“合乎尺寸/成本的高密度系統”，和“集成所有”;幾十個(gè)功率硅開(kāi)關(guān)——IGBT、MOSFET、SiC和GaN;復雜的門(mén)驅動(dòng)器單元電路和量產(chǎn)功能，如位于一個(gè)小型封裝中的熱敏電阻、De-sat(即desaturation，去飽和)等。而當前的功率硅片/WBG(寬禁帶)技術(shù)恰能滿(mǎn)足復雜的市場(chǎng)需求，且模塊封裝技術(shù)也為小尺寸、超低Rth(j-c)材料、高溫保證EMC(環(huán)氧樹(shù)脂成型復合材料)、 更長(cháng)生命周期(電源循環(huán)、TMCL)，如DSC(雙面冷卻)、燒結、附著(zhù)力促進(jìn)材料等提供了非常好的思路。功率模塊封裝技術(shù)比以前變得重要，特別是更大功率的方案，封裝的可靠性和專(zhuān)有技術(shù)比硅技術(shù)更關(guān)鍵。所以每種材料選擇都關(guān)乎封裝與硅組合的可靠性。功率模塊方案的另一關(guān)鍵技術(shù)是如何將完全不同的材料和硅結合到/連接到同一封裝。

　　根據市場(chǎng)的多樣化需求，特別是汽車(chē)功能電子化，這些功率模塊技術(shù)將在未來(lái)10年發(fā)展非?？?，將助力整個(gè)電源行業(yè)實(shí)現縮減系統尺寸、高能效、超長(cháng)使用壽命。

可穿戴產(chǎn)品的功率管理

完備的電源解決方案為可穿戴設備提供持久續航

　　隨著(zhù)創(chuàng )新型社會(huì )的進(jìn)步, 市場(chǎng)對可穿戴產(chǎn)品的需求是個(gè)趨勢, 主要是因為可穿戴產(chǎn)品可以帶來(lái)便攜性、及時(shí)性，使用者可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)及時(shí)獲取自己想要的信息，這樣無(wú)論給工作還是生活都會(huì )帶來(lái)很大的便利。既然是可穿戴便攜的特性，功能上要盡量滿(mǎn)足實(shí)際生活工作中各種各樣的要求，同時(shí)需要產(chǎn)品要盡可能小巧、電池續航能力要強，而這是一個(gè)平衡的過(guò)程，因為要實(shí)現產(chǎn)品功能多樣化，同時(shí)能夠實(shí)時(shí)監控或者獲取信息，那就需要設備一直處于工作狀態(tài)。而可穿戴產(chǎn)品一般供電電池是鋰電池、星空紐扣電池等，這種電池的容量本身比較有限，如果這些容量有限的電池可以讓可穿戴產(chǎn)品長(cháng)時(shí)間地工作，續航能力達到市場(chǎng)需要的水準，這才是整個(gè)產(chǎn)品生態(tài)鏈里面關(guān)注的方向，也讓使用者提升體驗感。

　　安森美半導體在醫療半導體行業(yè)有多年的深入和研發(fā)投入，電源方案從工藝上和產(chǎn)品架構設計上采用了先進(jìn)的技術(shù)，達到功耗的突破，比如現在物聯(lián)網(wǎng)比較流行的BLE，安森美半導體SoC方案RSL10可以提供1.1~3.6 V的供電范圍，深度睡眠喚醒電流只需要50 nA。同時(shí)針對可穿戴的產(chǎn)品助聽(tīng)器，安森美半導體可提供1 mA左右的工作電流，達到延長(cháng)助聽(tīng)器的續航;另外，安森美半導體有多樣化的電源提供方案如LDO、DC-DC等，都具高轉換效率。在針對可以需要的集成多電源方案方面，安森美半導體有非常成熟的PMIC集成電源管理芯片，讓系統供電最優(yōu)化，從而達到節省電源延長(cháng)電池使用壽命。

　　參考文獻：

　　[1]徐小海.2015-2016年中國功率器件市場(chǎng)回顧與展望[J].電子產(chǎn)品世界,2016(4):13-14.

　　[2]Mark de Clercq.傳感器、集成和電源管理的進(jìn)步推動(dòng)可穿戴技術(shù)的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2016(5):21-23.

　　[3] Afshin Odabaee.適用于FPGA、GPU和ASIC系統的電源管理[J].電子產(chǎn)品世界,2016(9):68-69.

　　[4] 苗漢潔. 大功率器件IEGT的前世今生[J].電子產(chǎn)品世界,2017(4):17-19.

　　[5]Marc Buschkühle.1200V CoolSiCTM MOSFET兼具高性能與高可靠性[J].電子產(chǎn)品世界,2017(7):80-83.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第14頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。