技術(shù)進(jìn)步與人力成本上升共同推動(dòng)了工業(yè)制造升級(jí)脐彩，全球制造業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)都制訂了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃徙歼，例如“中國(guó)制造2025”废筒、“工業(yè)4.0”及“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。

在工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化捆牍、智能化過程中棉挤，我們也不應(yīng)該遺忘真正“驅(qū)動(dòng)”工業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體元器件，尤其是功率器件拆鹉。如今上互，功率器件被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中，用來控制舷翰、轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓電流匀冈，從MOSFET、IGBT坐蓉，到新興的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件郁秦，不同類型的功率器件滿足了不同工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的需要。

工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率器件的要求

面向工業(yè)設(shè)備的功率器件使用條件比較苛刻浩淹，有的應(yīng)用需要24小時(shí)365天無間斷運(yùn)轉(zhuǎn)能说。瑞薩電子大中國(guó)區(qū)汽車電子業(yè)務(wù)中心高級(jí)部門專家落合康彥指出，設(shè)計(jì)與研發(fā)功率器件時(shí)井辜，必須考慮兩點(diǎn)绎谦。“一個(gè)是損耗特性粥脚，由于無間斷運(yùn)轉(zhuǎn)需求窃肠，如何減少器件所產(chǎn)生的損耗對(duì)工廠電費(fèi)有直接影響。而且不同應(yīng)用需要不同的開關(guān)頻率刷允，工程師需要按照實(shí)際開關(guān)頻率要求冤留，決定有限考慮的是導(dǎo)通損耗還是開關(guān)損耗，然后決定最佳的選擇树灶；第二是可靠性纤怒，特別是無人工廠糯而，器件故障會(huì)直接影響到工廠運(yùn)作造成損失，所以器件耐受性也是需要優(yōu)先考慮泊窘∠ㄍ眨”

“工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線對(duì)功率器件有絕對(duì)的依賴，這些設(shè)備通過功率器件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換州既，功能動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)也是通過控制功率器件來完成谜洽「饧樱”力特公司（Littelfuse）技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理杜堯生認(rèn)為芜溪，現(xiàn)在對(duì)功率器件的要求越來越高，高效率烂多、低功耗明殊、小尺寸，以及容易控制和方便應(yīng)用盒酷，都是工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率器件的要求蹄警。

“應(yīng)用于工業(yè)的功率器件必須可靠、高效迟书、緊湊覆首，能夠耐受拋負(fù)載，而且能在寬輸入電壓范圍保持輸出穩(wěn)定伴罢，”安森美半導(dǎo)體應(yīng)用工程經(jīng)理Jon Gladish則這樣表示亦蟋，“此外，電源轉(zhuǎn)換的損耗要小挚性，能夠在較寬的溫度范圍工作纲盟。”

大功率器件

大功率器件主要用于工業(yè)應(yīng)用烫扼，相比小功率器件曙求，高電壓、大電流的大功率器件在設(shè)計(jì)開發(fā)和應(yīng)用中需要考慮的因素更多映企。

“大電流高電壓的產(chǎn)品都要考慮應(yīng)力設(shè)計(jì)問題悟狱，而且大功率器件通常不是一個(gè)理想的開關(guān)器件，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分注意導(dǎo)通損耗堰氓、電壓變化率（du/dt）挤渐、電流變化率(di/dt）等問題，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間也需要考慮豆赏≌醴疲”力特杜堯生表示，功率器件電壓設(shè)定也很重要掷邦，現(xiàn)在cool MOS電壓到1200V已經(jīng)接近極限白胀，1700V和3300V只能采用IGBT椭赋，但力特的碳化硅（SiC）MOSFET卻非常容易實(shí)現(xiàn)1200V和1700V的最低電壓設(shè)計(jì)。

當(dāng)然碳化硅MOSFET門極驅(qū)動(dòng)是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)或杠，因?yàn)樘蓟杵骷旧頁p耗小哪怔，開關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)到500KHz級(jí)別，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)非痴砸纾快夷硅，除了電源絕緣，還要做好信號(hào)的絕緣隔離處理歧余。高頻信號(hào)也帶來了電磁干擾問題氢滋，“抗干擾和抑制干擾都會(huì)變得頭痛，工程師必須面對(duì)EMI問題跟努，否則就會(huì)誤觸發(fā)引起器件失控价忙。電路板的高頻優(yōu)化和多點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)也變成難點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要進(jìn)行時(shí)域分析垛撬，又要進(jìn)行頻域分析皮围。”

安森美半導(dǎo)體Jon Gladish強(qiáng)調(diào)安全始終是功率器件應(yīng)用的主要考慮因素达快，尤其是高電壓捏裂、大電流的大功率器件〉槲福“UL認(rèn)為吩屹，高于60V的電壓接觸到人體，將造成傷害客扎，甚至?xí)?dǎo)致死亡祟峦，所以大功率器件在應(yīng)用時(shí)，必須要充分考慮安全設(shè)計(jì)徙鱼，滿足爬電距離和電氣間隙要求是高壓器件應(yīng)用安全的首要條件宅楞。”高壓引腳周圍的灰塵和異物也存在危害袱吆，功能缺陷更要注意排查厌衙。

由于大功率器件在工作中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，所以也需要特別注意其散熱設(shè)計(jì)绞绒，盡可能減少由熱膨脹失配引起的機(jī)械應(yīng)力婶希，以免發(fā)生危險(xiǎn)。對(duì)如何進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)蓬衡，Jon Gladish提到幾點(diǎn)：符合規(guī)范的PCB布局布線（PCB線的寬度喻杈、厚度和直徑等因素都要考慮），優(yōu)良的散熱架構(gòu)狰晚，選擇熱阻更小的封裝材料等筒饰。

瑞薩電子落合康顏表示须彼，高壓大電流應(yīng)用中，往往不是單個(gè)芯片來承擔(dān)大電流捶益，對(duì)于兩個(gè)或多個(gè)芯片并聯(lián)使用場(chǎng)景司箫，最重要的是控制多個(gè)芯片之間的特性偏差⌒渴埃“芯片特性偏差產(chǎn)生電流偏差绕众，電流集中的芯片將會(huì)出現(xiàn)過熱甚至損毀的狀況，所以控制器件制造工藝偏差非常關(guān)鍵肴摊∧芬眩”

常見失效模式

功率器件失效往往會(huì)帶來比較嚴(yán)重的后果。尤其在不間斷電源血明、太陽能逆變器夫石、電信和充電樁等工業(yè)應(yīng)用中伪睬，如果功率器件在設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障腊尤，將可能導(dǎo)致多種二次故障，例如熔化口溃、起火或者爆炸揩页。“所以通常情況烹俗，工業(yè)系統(tǒng)有過壓保護(hù)（OVP）金額過流保護(hù)（OCP）等故障檢測(cè)功能爆侣，”Jon Gladish表示，依靠故障檢測(cè)功能幢妄，出現(xiàn)功率器件失效情況時(shí)兔仰，系統(tǒng)可以及時(shí)切斷供電，從而避免二次故障蕉鸳。

Jon Gladish總結(jié)了5種常見的功率器件失效模式：雪崩擊穿乎赴；靜電放電（ESD）或門極浪涌；體二極管反向恢復(fù)電流過大潮尝￠藕穑可能會(huì)觸發(fā)寄生BJT；長(zhǎng)期工作在線性區(qū)勉失，由于電流過大而導(dǎo)致的熱失控羹蚣；裝配不當(dāng)造成的封裝損害。

落合康顏認(rèn)為乱凿，根據(jù)瑞薩電子的統(tǒng)計(jì)忘当，客戶的失效問題90%以上是由于過電壓或過電流造成的損壞，特別是IGBT和MOSFET等開關(guān)器件帝璃，在開關(guān)過程中發(fā)生的失效極多圈蛹±冈幔“為防止此類失效，采用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)條件杯削，并盡力抑制PCB寄生電感抚言。”

“器件最常見的失效就電壓擊穿褐泊，短路燒毀芦槽，所以器件抗浪涌的能力必須強(qiáng)，抗沖擊能力必須強(qiáng)杯娶。另外耐受電壓的能力也要高黎伤。短路失效使我們最頭疼的問題，因?yàn)槠骷搪穼?duì)電源的沙勝利最大栅苞，可能會(huì)把整個(gè)電路板燒毀催舅，甚至引起火災(zāi)⌒钛酰”杜堯生舉了一個(gè)例子函似，工廠里運(yùn)行的變頻器通常是六個(gè)橋臂順序工作，如果因?yàn)槠骷бl(fā)上下橋短路喉童，沒有保護(hù)的管子就會(huì)炸掉撇寞。“功率器件的短路保護(hù)是非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)堂氯，驅(qū)動(dòng)板都會(huì)設(shè)定短路保護(hù)的時(shí)間蔑担，功率器件也會(huì)有最大短路電流標(biāo)稱⊙拾祝”

功率器件發(fā)展趨勢(shì)

遵循摩爾定律的數(shù)字芯片更新?lián)Q代非常迅猛啤握，相比之下，功率器件發(fā)展比較緩慢晶框，但也在不斷演進(jìn)排抬，從最早的晶閘管技術(shù)，到GTO技術(shù)三妈、MOSFET技術(shù)畜埋，再到IGBT、IGCT或IGET策见，這些以硅為基材的技術(shù)镀材，在工作電壓與損耗等參數(shù)上似乎已經(jīng)達(dá)到了極限∷獠模“SiC技術(shù)的興起和成熟忍具，給功率器件帶來了變革的曙光，”杜堯生表示抖臭，提高功率密度是目前功率器件技術(shù)的主要要求却怪，電力傳動(dòng)系統(tǒng)和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)能效比要求都很高晚饰，“力特的SiC產(chǎn)品，相比傳統(tǒng)功率器件降低了80%的損耗殷感，幾乎變成了一個(gè)理想的開關(guān)器件窃橄。”

除了傳統(tǒng)的IGBT熏迷，安森美半導(dǎo)體也在持續(xù)開發(fā)寬禁帶器件技術(shù)赵腰，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），此外超級(jí)結(jié)和屏蔽柵極硅基MOSFET（shielded-gate silicon based MOSFET）也是重點(diǎn)投入方向谐歪《丶洌“產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)是設(shè)計(jì)開發(fā)出更快、導(dǎo)通電阻更小的器件束铭，不斷降低硅特征導(dǎo)通電阻（RSP）和開關(guān)損耗廓块，以實(shí)現(xiàn)更高的能效和功率密度∑跄”Jon Gladish指出带猴，還有一個(gè)優(yōu)化方向是新型封裝，安森美的重點(diǎn)方向是低寄生電阻和電感的表面貼封裝埠褪，以及增強(qiáng)散熱能力的封裝浓利，例如雙面冷卻封裝。

Jon Gladish將功率技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為四個(gè)方向钞速。首先是高壓化，高壓化趨勢(shì)是為了提高能源效率嫡秕；其次是模塊化渴语，通過更有效的熱管理，來實(shí)現(xiàn)高額定功率昆咽；第三是先進(jìn)技術(shù)研發(fā)驾凶，重點(diǎn)是基于硅技術(shù)和寬禁帶（SiC和GaN等）材料的功率器件技術(shù)；最后是智能化鉴梦，帶保護(hù)功能的智能功率器件將更適合工業(yè)控制氛灸。

智能化

Jon Gladish表示，雖然智能化功率模組（IPM）比普通分立器件方案更先進(jìn)逐茄，對(duì)具體應(yīng)用更優(yōu)化剑碌，但用戶并不一定會(huì)買賬，因?yàn)橹悄芄β誓＝M通常價(jià)格更高张域，而且不是像分立器件這樣的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品孟溯。

但智能功率模組的優(yōu)點(diǎn)更多。首先模組性能更出色蚪录，隔離度更高呜款、散熱性能更強(qiáng)耸壮，同時(shí)模組內(nèi)還可包含完整的保護(hù)功能，例如過電壓剩症、欠流和熱關(guān)斷笑驶；其次使用模組可以減小系統(tǒng)尺寸，功率模組通常采用系統(tǒng)化封裝胞饭，將MOSFET粤蝎、IGBT、二極管和驅(qū)動(dòng)電路（Gate Driver Unit袋马，簡(jiǎn)稱GDU）等裸片都封在一個(gè)封裝里初澎，從而節(jié)省系統(tǒng)空間；最后模組可靠性更高虑凛，智能功率模組比分立方案元器件數(shù)量更少碑宴，加工環(huán)節(jié)減少，保護(hù)措施更完善桑谍，散熱性能更好延柠，這些都意味著更高的可靠性和更長(zhǎng)的壽命。

瑞薩電子落合康顏表示锣披，在空調(diào)中使用IPM等功率較小的器件已經(jīng)很廣泛贞间，但工業(yè)大功率器件通常是多個(gè)芯片并聯(lián)使用，所以智能化也是整套設(shè)備的智能化雹仿≡鋈龋“比如在純電動(dòng)車中使用IGBT，瑞薩電子的想法并不是讓IGBT本身變得智能化胧辽，而是對(duì)顧客提供包括IGBT的整個(gè)智能化變頻器解決方案嗤矾。”

“集成了驅(qū)動(dòng)管理悄锈、熱管理以及防護(hù)管理的智能化產(chǎn)品會(huì)讓工程設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔拒牡，力特的產(chǎn)品會(huì)更加靈活好用，對(duì)整個(gè)工業(yè)應(yīng)用也會(huì)帶來變革菌渐，工業(yè)4.0也就是智能化制造的過程随去，這個(gè)過程離不開智能化的功率器件或模組∨蓿”設(shè)備信息化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)扔泵，就如杜堯生所言，智能化是功率器件行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)雷昵。

總結(jié)

功率器件是保證工業(yè)設(shè)備正常運(yùn)作的核心器件荡担，嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)工業(yè)用功率器件的參數(shù)提出了更高要求，并需要在使用中增加多種保護(hù)措施以防止功率器件失效造成的災(zāi)難，高壓化准瘪、模塊化粟翔、智能化將是今后功率器件發(fā)展的主要趨勢(shì)，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)也越來越受到重視讼载〗窝恚可以預(yù)見，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0過程中咨堤，智能化功率模塊的接受度將越來越高菇篡。

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