工业数字化的依赖 谁在“驱动”工业4.0

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功率器件发展趋势

遵循摩尔定律的数字芯片更新换代非常迅猛,相比之下,功率器件发展比较缓慢,但也在不断演进,从最早的晶闸管技术,到GTO技术、MOSFET技术,再到IGBT、IGCT或IGET,这些以硅为基材的技术,在工作电压与损耗等参数上似乎已经达到了极限。“SiC技术的兴起和成熟,给功率器件带来了变革的曙光,”杜尧生表示,提高功率密度是目前功率器件技术的主要要求,电力传动系统和电力转换系统对能效比要求都很高,“力特的SiC产品,相比传统功率器件降低了80%的损耗,几乎变成了一个理想的开关器件。”

除了传统的IGBT,安森美半导体也在持续开发宽禁带器件技术,包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),此外超级结和屏蔽栅极硅基MOSFET(shielded-gate silicon based MOSFET)也是重点投入方向。“产业趋势是设计开发出更快、导通电阻更小的器件,不断降低硅特征导通电阻(RSP)和开关损耗,以实现更高的能效和功率密度。”Jon Gladish指出,还有一个优化方向是新型封装,安森美的重点方向是低寄生电阻和电感的表面贴封装,以及增强散热能力的封装,例如双面冷却封装。

Jon Gladish将功率技术发展趋势总结为四个方向。首先是高压化,高压化趋势是为了提高能源效率;其次是模块化,通过更有效的热管理,来实现高额定功率;第三是先进技术研发,重点是基于硅技术和宽禁带(SiC和GaN等)材料的功率器件技术;最后是智能化,带保护功能的智能功率器件将更适合工业控制。

智能化

Jon Gladish表示,虽然智能化功率模组(IPM)比普通分立器件方案更先进,对具体应用更优化,但用户并不一定会买账,因为智能功率模组通常价格更高,而且不是像分立器件这样的标准化产品。

但智能功率模组的优点更多。首先模组性能更出色,隔离度更高、散热性能更强,同时模组内还可包含完整的保护功能,例如过电压、欠流和热关断;其次使用模组可以减小系统尺寸,功率模组通常采用系统化封装,将MOSFET、IGBT、二极管和驱动电路(Gate Driver Unit,简称GDU)等裸片都封在一个封装里,从而节省系统空间;最后模组可靠性更高,智能功率模组比分立方案元器件数量更少,加工环节减少,保护措施更完善,散热性能更好,这些都意味着更高的可靠性和更长的寿命。

瑞萨电子落合康颜表示,在空调中使用IPM等功率较小的器件已经很广泛,但工业大功率器件通常是多个芯片并联使用,所以智能化也是整套设备的智能化。“比如在纯电动车中使用IGBT,瑞萨电子的想法并不是让IGBT本身变得智能化,而是对顾客提供包括IGBT的整个智能化变频器解决方案。”

“集成了驱动管理、热管理以及防护管理的智能化产品会让工程设计更加简洁,力特的产品会更加灵活好用,对整个工业应用也会带来变革,工业4.0也就是智能化制造的过程,这个过程离不开智能化的功率器件或模组。”设备信息化是实现工业4.0的基础,就如杜尧生所言,智能化是功率器件行业发展的大趋势。

总结

功率器件是保证工业设备正常运作的核心器件,严苛的工业应用场景对工业用功率器件的参数提出了更高要求,并需要在使用中增加多种保护措施以防止功率器件失效造成的灾难,高压化、模块化、智能化将是今后功率器件发展的主要趋势,宽禁带半导体技术也越来越受到重视。可以预见,在实现工业4.0过程中,智能化功率模块的接受度将越来越高。

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