內置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉換器IC，助推工廠(chǎng)智能化

本文的關(guān)鍵要點(diǎn)

各行各業(yè)的工廠(chǎng)都在擴大生產(chǎn)線(xiàn)的智能化程度，在生產(chǎn)線(xiàn)上的裝置和設備旁邊導入先進(jìn)信息通信設備的工廠(chǎng)越來(lái)越多。

要將高壓工業(yè)電源線(xiàn)的電力轉換為信息通信設備用的電力，需要輔助設備用的高效率電源，而采用內置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉換器IC可以輕松構建這種高效率的輔助電源。

各行各業(yè)加速推進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)的智能化

如今，從汽車(chē)、半導體到食品、藥品和化妝品等眾多行業(yè)的工廠(chǎng)，既需要進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，還需要推進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)（降低功耗和減少溫室氣體排放）。

在以往的制造業(yè)中，提高工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)一直是重中之重。然而，近年來(lái)，對實(shí)現無(wú)碳社會(huì )所做的貢獻不僅成為評估一個(gè)企業(yè)社會(huì )貢獻程度的視角，也成為引進(jìn)碳定價(jià)機制乃至市場(chǎng)準入條件，成為左右商業(yè)往來(lái)和企業(yè)價(jià)值的重點(diǎn)項目。

但是，在提高生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)推進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)并非易事。為了滿(mǎn)足這種高難度的時(shí)代需求，很多工廠(chǎng)開(kāi)始引進(jìn)更智能的生產(chǎn)管理系統（圖1）。這種系統通過(guò)在生產(chǎn)線(xiàn)上的每個(gè)裝置和設備上都安裝傳感器，收集各種數據，將裝置和設備的運行情況、健康狀態(tài)、以及成品和在制品的進(jìn)度等可視化，并利用人工智能（AI）和大數據分析等手段來(lái)根據具體情況實(shí)時(shí)優(yōu)化操作條件。

圖1. 為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量并促進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)的智能化進(jìn)程加速

供電手段是工廠(chǎng)引進(jìn)信息通信設備時(shí)的課題之一

為了讓生產(chǎn)線(xiàn)更加智能，在生產(chǎn)線(xiàn)上安裝的信息通信設備和控制設備（比如物聯(lián)網(wǎng)設備、邊緣計算機和網(wǎng)絡(luò )設備）等變得比以往更加多樣化。通常，在工廠(chǎng)中，大多用于生產(chǎn)的各種裝置和設備會(huì )被緊密地布置在工廠(chǎng)車(chē)間的地面上。在推進(jìn)工廠(chǎng)智能化的過(guò)程中，如何在現有布局中找到空隙以及如何加裝眾多信息通信用的輔助設備，是很大的挑戰。其中，難題之一是如何為分散布置的輔助設備高效率地供電。

如果工廠(chǎng)內用來(lái)傳輸傳感器所獲取數據的信息網(wǎng)絡(luò )采用無(wú)線(xiàn)方式，那么將無(wú)需鋪設電纜。然而，電源線(xiàn)的情況就不一樣了。一般來(lái)講，構成制造設備的大輸出功率電機和加熱器等設備，需要使用至少200V的交流（AC）電源驅動(dòng)，而大多數情況下需要使用AC400V的電源驅動(dòng)。但是，由于以半導體為核心器件的輔助設備使用的是5V～48V的直流（DC）電源，因此需要在已安裝的裝置和設備用的電源之外另行配置電源。

智能化生產(chǎn)線(xiàn)對AC-DC轉換器的要求

為輔助設備配置電源的最簡(jiǎn)單方法是從現有的電源線(xiàn)（例如AC400V電源線(xiàn)）獲取電力，然后使用AC-DC轉換器將其轉換為5V～48V的DC電源（圖2）。但由于信息通信用的輔助設備畢竟只是附屬設備，為了避免打亂工廠(chǎng)內的設備布局或增加功耗，對輔助電源所用的AC-DC轉換器提出了以下技術(shù)要求：

圖2. 輔助電源用AC-DC轉換器的應用及其技術(shù)要求

首先是體積必須很小。理想的做法是能夠將構成AC-DC轉換器的功率元器件和驅動(dòng)器IC等半導體集成在一個(gè)封裝中。另外，要通過(guò)提高AC-DC轉換器的工作頻率，來(lái)實(shí)現線(xiàn)圈和電容器等轉換器組成元器件的小型化；還要通過(guò)使用低損耗和耐熱性?xún)?yōu)異的功率元器件，來(lái)實(shí)現散熱機構的小型化。

其次是高可靠性。生產(chǎn)線(xiàn)上的設備使用條件嚴苛，一旦發(fā)生故障，就可能會(huì )造成巨大的經(jīng)濟損失。通過(guò)一體化封裝來(lái)降低元器件故障風(fēng)險、并配備各種保護功能是非常必要的做法。

最后是必須具有高效率和低損耗特點(diǎn)。本來(lái)是為了實(shí)現無(wú)碳生產(chǎn)才推動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的智能化，但如果因此而使用的輔助電源消耗了大量電力，那就是本末倒置了。一些工業(yè)設備已經(jīng)配備了用來(lái)驅動(dòng)控制設備的輔助電源。然而，在很多情況下，這些輔助電源使用了耐壓能力低或損耗大的功率元器件，而這就意味著(zhù)它們會(huì )消耗超出預期的電力。未來(lái)，要應對AC400V以上的電源，必須要使用專(zhuān)門(mén)為此經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的功率元器件。

在A(yíng)C-DC轉換器中應用SiC MOSFET的意義和挑戰

隨著(zhù)新的半導體技術(shù)投入實(shí)際應用，包括AC-DC轉換器在內的各種功率轉換電路可顯著(zhù)提高效率并進(jìn)一步小型化。這是一種將以往主流的Si（硅）半導體襯底材料替換為SiC（碳化硅）的功率元器件。

通過(guò)將導通損耗低、開(kāi)關(guān)損耗低且耐熱性能優(yōu)異的SiC MOSFET應用在功率轉換電路的開(kāi)關(guān)中，可以構建無(wú)需散熱器的高輸出功率AC-DC轉換器。而且這種產(chǎn)品還支持高頻驅動(dòng)。利用SiC基功率元器件，可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)智能化過(guò)程中對AC-DC轉換器的很多技術(shù)要求。

不過(guò)，為了更大程度地發(fā)揮出其出色的潛力，還需要配備專(zhuān)為驅動(dòng)SiC MOSFET而優(yōu)化過(guò)的驅動(dòng)器IC等器件?，F有的驅動(dòng)器IC是針對Si基功率元器件的特性進(jìn)行優(yōu)化的，無(wú)法直接應用于SiC基功率元器件。

ROHM內置SiC MOSFET的AC-DC轉換器的性能和應用優(yōu)勢

ROHM推出了內置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉換器IC“BM2SC12ｘFP2-LBZ”，適用于輔助電源等應用。該芯片是將1200V以上高耐壓MOSFET和柵極驅動(dòng)器IC一體化封裝的全球初創(chuàng )產(chǎn)品。通過(guò)將采用了Si MOSFET的AC-DC轉換器所需的12個(gè)獨立芯片集成于一個(gè)封裝中，大幅減少了元器件數量（圖3）。

圖3. 將輔助電源用AC-DC轉換器所需的12個(gè)元器件集成于一個(gè)封裝中

另外，通過(guò)采用該產(chǎn)品，客戶(hù)將能夠以更短的開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)高效率、高可靠性的小型AC-DC轉換器。不僅如此，通過(guò)內置SiC MOSFET，還可以配備高精度的過(guò)熱保護、過(guò)負載保護（FB OLP）、電源電壓引腳的過(guò)電壓保護（VCC OVP）、過(guò)電流保護、二次側電壓的過(guò)電壓保護等功能，可靠性更高，適用于需要連續運行的工業(yè)設備的輔助電源。

此外，ROHM還利用其在SiC MOSFET領(lǐng)域積累的深厚的技術(shù)實(shí)力，針對工業(yè)設備輔助電源應用優(yōu)化了柵極驅動(dòng)器IC的規格。AC-DC轉換器的功率轉換效率從使用Si基MOSFET時(shí)的78.5%提高到83.5%，提升效果顯著(zhù)?？刂齐娐凡捎脺手C振方式，與普通的PWM方式相比，可以實(shí)現更低的噪聲和更高的工作效率，從而可以更大程度地減少噪聲對工業(yè)設備的影響。

可以說(shuō)，ROHM的BM2SC12ｘFP2-LBZ對于構建旨在提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)并推進(jìn)無(wú)碳生產(chǎn)的智能生產(chǎn)線(xiàn)而言，是必不可少的產(chǎn)品，也是應用效果非常出色的產(chǎn)品。