東芝：以變革技術(shù)引領(lǐng)電機能效升級

在后疫情時(shí)代，隨著(zhù)社會(huì )生活的逐步開(kāi)放，恢復被疫情耽誤的經(jīng)濟活動(dòng)將成為重中之重，其中工業(yè)控制、新能源汽車(chē)、智能家電的市場(chǎng)需求將會(huì )加速增長(cháng)。

就電機而言，隨著(zhù)電氣設備自動(dòng)化程度的不斷提高，電機的應用范圍越來(lái)越廣泛，單個(gè)設備的電機用量也在不斷增加。據相關(guān)報道，僅僅中國國內家電市場(chǎng)的電機年需求量就超過(guò)10 億臺。另外，隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)量的高速增長(cháng)和汽車(chē)電動(dòng)化程度的不斷提高，車(chē)用電機的需求量快速增長(cháng)，一般來(lái)說(shuō)經(jīng)濟型燃油車(chē)會(huì )配備10 個(gè)左右的電機，普通汽車(chē)會(huì )配備20~30 個(gè)電機，而豪華車(chē)會(huì )配備60~70 個(gè)電機，甚至上百個(gè)電機，新能源汽車(chē)需要的電機會(huì )更多。就電機的種類(lèi)而言，隨著(zhù)碳達峰碳中和政策的實(shí)施，以及設備自動(dòng)化程度的不斷提高而帶來(lái)的電機使用量的增加，電機系統的功耗變得不可忽視，再加上人們對電機低噪音、高速穩定工作以及電機使用壽命長(cháng)等需求，無(wú)刷電機的滲透率逐年增長(cháng)，據相關(guān)統計，無(wú)刷電機在汽車(chē)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，驅動(dòng)無(wú)刷直流電機需要一個(gè)比較復雜的電機控制驅動(dòng)電路，這就給廣大半導體芯片廠(chǎng)商提供了一個(gè)商業(yè)機會(huì )。東芝在電機控制驅動(dòng)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(chǎng)40 多年，涵蓋了消費類(lèi)、工業(yè)類(lèi)和車(chē)載類(lèi)等應用領(lǐng)域，并且根據客戶(hù)需求進(jìn)行著(zhù)持續開(kāi)發(fā)改進(jìn)。

東芝作為電機驅動(dòng)電路的主要供應商之一，在電機控制驅動(dòng)系統中的產(chǎn)品主要有MCU、MCD、IPD、MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 等相關(guān)器件，分為消費類(lèi)、工業(yè)類(lèi)以及車(chē)載類(lèi)等不同應用類(lèi)型。

在直流無(wú)刷電機控制驅動(dòng)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(wú)刷電機驅動(dòng)IC的解決方案的開(kāi)發(fā)過(guò)程得到優(yōu)化。由于市場(chǎng)對于節能、電機安靜運行的要求越來(lái)越高，直流無(wú)刷（BLDC）電機被廣泛應用于各種場(chǎng)合。為了提高電機的驅動(dòng)效率，通常需要一個(gè)復雜的控制流程，東芝提供的電機驅動(dòng)控制電路解決方案可以簡(jiǎn)化這一流程。為了適應各種不同的應用需求，東芝開(kāi)發(fā)了豐富的無(wú)刷直流電機控制驅動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品線(xiàn)，包括MCU、MCD、IPD以及用于輸出驅動(dòng)的分立器件，如MOSFET、IGBT以及第三代半導體的SiC產(chǎn)品。特別是在MCD產(chǎn)品中包含了驅動(dòng)電路型MCD、預驅電路型MCD、控制器型MCD以及柵極驅動(dòng)電路型MCD等四種類(lèi)型，根據應用場(chǎng)景的不同，可選用不同的電路配置以滿(mǎn)足不同的需求。

圖 四種不同類(lèi)型的直流無(wú)刷電機控制原理

電機控制驅動(dòng)電路配置的最后一種類(lèi)型采用的是：MCU+柵極驅動(dòng)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(huì )導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(gè)硬件IP，它能在沒(méi)有CPU詳細指令的情況下處理矢量控制中的復雜計算。硬件IP 是矢量引擎。矢量引擎執行從3 相到2 相的轉換、旋轉坐標轉換和反向轉換，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(huì )大大提高微控制器的性能。

近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )對電動(dòng)汽車(chē)需求的增長(cháng)，產(chǎn)業(yè)對能滿(mǎn)足車(chē)載設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、低導通電阻和高散熱。上述產(chǎn)品未采用內部接線(xiàn)柱結構，通過(guò)引入1 個(gè)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構，與現有的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，高出當前產(chǎn)品1.6倍。厚銅框的使用使XPQR3004PB 內的溝道到外殼熱阻降低到當前產(chǎn)品的50%。這些特性有利于實(shí)現更大的電流，并降低車(chē)載設備的損耗。

憑借新型封裝技術(shù)，新產(chǎn)品可進(jìn)一步簡(jiǎn)化散熱設計，顯著(zhù)減少半導體繼電器和一體化起動(dòng)發(fā)電機變頻器等需要大電流的應用所需的MOSFET的數量，進(jìn)而幫助系統縮小設備尺寸。當需要并聯(lián)多個(gè)器件為應用提供更大工作電流時(shí)，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。這樣可以確保設計使用同一組別的產(chǎn)品，從而減少特性偏差。

因為車(chē)載設備可能工作在各種溫度環(huán)境下，所以表面貼裝的焊點(diǎn)可靠性是一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵因素。新品采用鷗翼式引腳降低貼裝應力，提高焊點(diǎn)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 內置了與SiC MOSFET 內部PN 結二極管并聯(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(dòng)，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(zhù)改善了單位面積導通電阻RonA，以及代表開(kāi)關(guān)特性的性能指標Ron*Qgd。此外，極驅動(dòng)電路設計簡(jiǎn)單，可防止開(kāi)關(guān)噪聲引起的故障。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）