从硅到碳化硅，更高能效是功率器件始终的追求

来源：贸泽电子

随着新能源汽车和电动飞机概念的兴起，在可预见的未来里，电能都将会是人类社会发展的主要能源。然而，随着电气化在各行各业的渗透率不断提升，每年全社会对电能的消耗量都是一个天文数字。比如在中国，根据国家能源局发布的数据，2022年全社会用电量86,372亿千瓦时，同比增长3.6%；其中，高速发展的新能源汽车在整车制造方面，用电量大幅增长71.1%。


图1：全社会用电量统计（图源：贸泽电子）

各行业电气化进程逐渐深入后，我们也必须要考虑到一个严峻的问题，那就是节能。当前，任何一种用电设备在设计之初，都会将高能效和低能耗作为两大核心性能，变频空调、变频冰箱等就是其中典型的例子。

要想让设备不断实现更好的节能指标，用功率器件取代传统开关是必要的一步。可以说，功率器件创新的方向就是为了打造更节能的社会。在这里，我们将重点为大家推荐几款贸泽电子官网在售的功率器件，让大家有一个直观的感受：功率器件能够帮助大家成为节能达人。

降功耗、提密度是IGBT的优势

功率器件是半导体行业里面的一个重要分支，大量应用于消费电子、工业控制、交通能源、电力电网和航空航天等领域。从具体的设备来看，小到个人用手机和电脑的电源，大到电动汽车、高速列车、电网的逆变器，基本都是以功率器件为核心设计实现的。

在功率器件普及之前，各行各业靠低效、笨重的开关来控制电能，功率器件可以通过切换电路来控制电流，从而取代开关。相较而言，功率器件的优势包括开关速度快、开关损耗小、通态压降小、耐高温高压，以及功率密度高等。功率器件的典型性能优势决定了，这些器件能够从设备运转、设备待机和设备体积等多方面实现能耗的降低。

功率器件主要分为二极管、三极管、晶闸管、MOSFET和IGBT等。其中，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）是MOSFET（场效应晶体管）和BJT（Bipolar Junction Transistor，双极晶体管）的结合体，因此既有MOSFET的优势，也有BJT的优势。综合而言，IGBT的优势包括高电流、高电压、高效率、漏电流小、驱动电流小、开关速度快等，被广泛应用于电力控制系统中。

在低碳浪潮中，IGBT受到了热捧，其不仅器件可靠性更高，并且相较于传统的MOSFET、BJT，拥有更低的漏电流，因此器件损耗更低，在具体的使用过程中，借助IGBT只需要一个小的控制信号就能够控制很大的电流和电压，在节能的同时也显著提高了系统的效率。目前，IGBT器件依然在借助新工艺和新模块方案来进一步降低系统的能耗。

接下来我们将为大家重点介绍一款IGBT智能功率模块（IPM），来自制造商ROHM Semiconductor，贸泽电子官网上该器件的料号为BM63574S-VC。


图2：BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块（图源：贸泽电子）

BM63574S-VC是整个BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块阵营中的其中一款，这些IGBT IPM产品由栅极驱动器、自举二极管、IGBT和再生用快速反向恢复二极管组成，工作电压为600V，可支持的集电极电流最高可至30A。

通过下图可以看到，这些600V IGBT IPM具有三相DC/AC逆变器、低侧IGBT栅极驱动器（LVIC）、高侧IGBT门驱动等功能单元。其中，低侧IGBT栅极驱动器除了承担驱动电路的角色，还提供短路电流保护（SCP）、控制电源欠压锁定（UVLO）、热关断（TSD）、模拟信号温度输出（VOT）等保护功能；高侧IGBT门驱动器（HVIC）基于SOI（绝缘体上硅）工艺，除了本身的驱动电路，还提供高电压电平转换、自举二极管的电流限制、控制电源欠压锁定（UVLO）等功能。


图3：BM6337x/BM6357x IGBT 智能功率模块系统框图（图源：ROHM Semiconductor）

可以说，BM6337x/BM6357x IGBT智能功率模块除了发挥IGBT本身的优势之外，也进行了很多针对性的创新。比如，在高侧IGBT门驱动器上采用SOI工艺，提高了开关频率和功率密度，降低了系统功耗，并简化了电路设计；高侧IGBT门驱动器中内置自举二极管，可由自举二极管供电，节省PCB面积并减少元件数量；另外，高侧和低侧IGBT门驱动器均有欠压锁定功能，能够防止IGBT模块工作在低效或危险状态。


图4：BM6337x/BM6357x IGBT 智能功率模块典型应用电路（图源：ROHM Semiconductor）

这些600V IBGT IPM非常适用于AC100至240Vrms（直流电压：小于400V）类电机控制应用以及空调、洗衣机或冰箱用压缩机或电机控制等其他应用。

SiC让节能增效更进一步

从产业发展现状来看，目前硅是制造芯片和半导体器件最广泛的原材料，绝大多数的器件都是基于硅材料制造。不过，由于硅材料本身的限制，因此相关器件在高频和高功率应用方面愈发乏力，以SiC（碳化硅）为代表的第三代半导体大功率电力电子器件则是一个很好的补充。

根据市场调研机构Yole的统计数据，2021年全球SiC功率器件市场规模为10.90亿美元，预计2027年市场规模将达到62.97亿美元。之所以能够有如此快速的增长，离不开SiC功率器件的优良性能。SiC功率器件又被称为“绿色能源器件”，可显著降低电子设备的能耗。


图5：全球SiC功率器件市场规模（图源：Yole）

综合而言，SiC功率器件有三大方面的性能优势。

#1 其一是材料本身，作为宽禁带半导体材料的代表，SiC具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性，显著提升器件功率密度；

#2 其二是SiC功率器件拥有高击穿电场强度特性，有助于提高器件的功率范围，降低通电电阻，使其具备耐高压性和低能耗性；

#3 其三是高饱和电子漂移速率特性，意味着更低的电阻，得以显著降低能量损失，简化周边被动器件。也就是说，无论是器件本身，还是基于SiC功率器件构建的电力系统，都会具备高能效、高功率密度的显著优势。

下面我们就来为大家推荐一款具备上述优势性能的SiC功率器件，来自制造商ROHM Semiconductor，贸泽电子官网上该器件的料号为SCT3060ARC14，属于ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET中的一款。


图6：ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET（图源：贸泽电子）

ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET原理上在开关过程中不会产生拖尾电流，可高速运行且开关损耗低。因此与传统的硅解决方案相比，SiC MOSFET具有更低的导通电阻和更快的恢复速度。

这些SiC MOSFET采用TO-247-4L封装，这是一种高效的封装方式，具有独立的电源和驱动器源极引脚，通过开尔文源极引脚将栅极驱动回路与电源端子分开。因此，由于源电流的上升，导通过程不会因电压下降而减慢，从而进一步显著降低导通损耗。


图7：ROHM Semiconductor SiC 4引脚沟槽式MOSFET引脚示意图（图源：ROHM Semiconductor）

这些SiC MOSFET提供650V和1200V两种型号，是服务器电源、太阳能逆变器和电动汽车充电桩的理想选择，当然也可以将其应用于DC-DC转换器、开关电源和感应加热等应用方向。

传统功率器件的节能趋势

上面我们已经提到了，功率器件的种类非常丰富，为了满足行业对节能增效的需求，不只是IGBT和SiC MOSFET这样的热门器件在不断更新迭代，传统功率器件也在进行积极创新。

目前，功率器件的创新点有很多。比如SiC和GaN（氮化镓）这些属于材料级别的创新；也有结构和工艺的创新，异质结构器件、复合型器件、磁隔离型器件等都是较新的器件结构，制造工艺和封装工艺也在不断升级；当然，还有智能化和可重构的趋势，让功率器件的使用可以更加灵活。

接下来我们通过一颗具体的器件来看一下，该器件来自制造商Nexperia，贸泽电子官网上的料号为BC857BW-QX。


图8：BC857BW-QX（图源：贸泽电子）

BC857BW-QX为一款PNP通用晶体管，其具有低电流和低电压特性，最大电流为100mA，最大电压为65V，可以帮助系统具备低功耗的优势。

除了器件本身的特性，BC857BW-QX在封装方式上采用SOT323表面贴装的方式，这是一种非常小的封装方式，并且由过去数十年来一直使用的SOT23封装发展而来，因此具备小型化和高可靠的优势。所以，从器件本身来说，BC857BW-QX是一颗小型化和低功耗的器件，也能够在系统中发挥同样的优势，帮助打造高功率密度的产品。

BC857BW-QX符合AEC-Q101车规级认证，适用于汽车应用中的开关和放大应用。

智能化和可重构是未来的大趋势

上述内容我们主要通过功率器件的材料、结构、封装和模块等方向来阐述功率器件的低功耗发展趋势，这样的性能优势让大家在使用过程中，可以较为从容地应对越来越严苛的高能效要求，成为社会应用创新中的节能达人。

面向未来，除了从器件本身和应用电路方面继续突破以外，功率器件也必须要更重视和人工智能、物联网技术的结合，需要具有智能化和可重构的特点，以适应智能化、自适应的电力电子应用。当具备这样的优势之后，功率器件将能够赋能更多的终端领域，开启节能、高效、智能的新时代。


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