功率開關器件的案例
技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
功率器件行業發展到IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時期，硅基器件的性能已經接近極限，邊際成本越來越高。
半導體器件產業仍對高功率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等有著越來越多的需求，因此以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發展方向，并逐步進入應用量產階段。
SiC功率器件性能優勢
SiC功率半導體的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，耐壓可達數萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優勢如下：
(1)寬禁帶可大幅減小泄漏電流，從而減少高功率器件損耗；
(2)高擊穿場強可提高功率器件耐壓能力與電流密度，減小整體尺寸；
(3)高熱導率可改善耐高溫能力，有助于器件散熱，減小散熱設備體積，提高集成度，增加功率密度；
(4)強抗輻射能力，更適合在外太空等輻照條件下應用。理論上，SiC器件是實現高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結合的理想材料，主要應用于大功率場合，可實現模塊及應用系統的小型化、集成化，提高功率密度和系統效率。
展開 無刷直流電動機及其控制技術的發展
目前，為提高電動機的功率密度，出現了橫向磁場永磁電機，其定子齒槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直，電機中的主磁通沿電機軸向流通，這種結構提高了氣隙磁密，能夠提供比傳統電機大得多的輸出轉矩。該類型電機正處于研究開發階段。
2．2電子換相電路
控制電路：無刷直流電動機通過控制驅動電路中的功率開關器件，來控制電機的轉速、轉向、轉矩以及保護電機，包括過流、過壓、過熱等保護。控制電路最初采用模擬電路，控制比較簡單。如果將電路數字化，許多硬件工作可以直接由軟件完成，可以減少硬件電路，提高其可靠性，同時可以提高控制電路抗干擾的能力，因而控制電路由模擬電路發展到數字電路。目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成形式。對電機控制要求不高的場合，由專業集成電路組成控制電路是簡單實用的方法；由于數字信號處理器運算快，外圍電路少，系統組成簡單、可靠，使得直流無刷電動機的組成大為簡化，性能大大改進，有利于電機的小型化和智能化，因而數字信號處理器是控制電路發展的方向。
驅動電路：驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅動電路由大功率開關器件組成。正是由于晶閘管的出現，直流電動機才從有刷實現到無刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關斷能力的半控性開關器件，其開關頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進一步提高。隨著電力電子技術的飛速發展，出現了全控型的功率開關器件，其中有可關斷晶體管（GTO）、電力場效應晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、集成門極換流晶閘管（IGCT）及近年新開發的電子注入增強柵晶體管（IEGT）。隨著這些功率器件性能的不斷提高，相應的無刷電動機的驅動電路也獲得了飛速發展。
展開 GaN滲透率僅1%？這家企業二廠年底預產，產能將提升10倍
? 2016江蘇省重點研發計劃
課題名稱：高性能增強型Si基GaN功率開關器件共性關鍵技術研發
立項時間：2016年
結合國家在節能減排和實現能源高效利用等方面的發展需求，以實現高性能增強型Si基GaN功率開關器件為目標，開展與之相關的共性關鍵技術的研發工作，實現相關的技術突破與產業化開發。
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展開 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
通過對開關波形的計算，可以得到不同溫度下器件的損耗，如圖3.17所不。由于開通和關斷過程隨結溫的變化不一樣，導致損耗也不一樣，開通損耗隨著結溫升高而降低、關斷損耗隨著結溫升高而升高，總開關損耗隨著結溫升高而降低。
SiC 功率模塊
SiC MOSFET是最有潛力的碳化硅電力電子器件，以往的研究表明SiC MOSFET在開關電路應用中具有優良的性能，比如耐高溫、開關速度快、工作頻率高等。為了發揮出SiC MOSFET的高性能，器件的外部電路和系統設計提出更多、更高的需求。
在高溫應用中，除SiC MOSFET外，其周邊的其他元器件和封裝材料都需具備耐高溫特性，特別是在電力電子裝置朝高功率密度方向發展的趨勢下，系統熱設計成為和電設計相同重要的內容，同時也增加系統的設計難度和設計成本。
SiC MOSFET開關速度相對硅功率器件要快很多，高速開關使得SiC MOSFET的開關損耗降低，但同時也會增加器件應力，高di/dt在功率回路的寄生電感上產生了高壓降并疊加到器件兩端，在半橋電路應用中高dv/dt還會引起串擾現象，使得本應關斷的器件可能再次開啟，造成開關損耗大大增加甚至導致器件短路，若要安全并高效的利用好SiC MOSFET，需要對功率回路和驅動回路進行更加優化設計。
高頻應用，意味著更高的開關損耗，損耗帶來器件的溫升和整機效率的降低，而減小開關損耗和提高系統散熱能力是主要的解決途徑。
展開 
SiC器件開關動態測試挑戰及應對方法
來源：碳化硅芯觀察
第三代半導體器件毫不夸張的講為電力電子行業帶來了革新，基于其高速，小體積，低功耗越來越廣泛應用在汽車、工業級消費電子行業。
我們先來看看不同技術的功率器件的區別，下圖可以看到傳統的Si基的IGBT或者MOSFET管要么分布在高壓低速的區間，要么分布在低壓高速的區間，市面上傳統的探測技術可以覆蓋器件特性的測試需求。但是第三代半導體器件SiC 或GaN的技術趨于成熟，因為其高速，高耐壓，抗高溫，體積小，低功耗被越來越多的應用在電源轉換產品上，從性能區別于傳統Si基的功率器件卻大大擴展了分布的區間，覆蓋以往沒有出現過的高壓高速區域，這就對器件的測試提出非常嚴苛的挑戰。
展開 功率器件封裝結構熱設計綜述
但隨著對更高電壓等級更高功率密度需求的不斷增長，傳統應用于 Si 器件的封裝技術已不能夠滿足現有發展和應用的要，目前傳統 Si 基芯片的最高結溫不超過 175℃，溫度循環的范圍最大不超過 200℃。
相比 Si 器件，SiC 器件在導通損耗、開關頻率和具有高溫運行能力方面具有明顯的優勢，最高理論工作結溫更是高達 600℃。若采用現有 Si 基封裝技術，那么以 SiC 為代表的寬禁帶半導體將無法充分發揮其高溫運行的能力。SiC 寬禁帶半導體功率器件更高的開關頻率，可以降低無源器件的重量，占用的封裝體積也更小，因此可以提高功率器件的功率密度，同時 SiC 器件具有更高的熱導率，可以更高效的把芯片耗散熱排出。
然而，SiC 器件越來越高的電壓等級和開關速度也給器件封裝帶來巨大的挑戰。目前現有封裝技術的不適配是擺在高壓 SiC 器件應用面前的一道屏障。SiC 芯片尺寸小，厚度更薄，而電壓等級提高，需要特別關注封裝中涉及芯片、基板以及輸出端子等薄弱點的電氣絕緣問題，如 10 kV SiC MOSFET 的芯片厚度僅有 100 μm，平均電場強度達到 100 kV/mm，而對于 1.7 kV 的 Si IGBT，芯片厚度為 210 μm，而平均電場強度只有 8.1 kV/mm。高電壓等級的 SiC 器件電場強度達到 Si 器件的 10 倍以上。
展開 高壓開關柜內部電氣元器件及其作用
配電中除外線外我們應用最多的就是開關柜（switch cabinet），開關柜是一種電氣設備，是指按一定的線路方案將一次設備、二次設備組裝而成的成套配電裝置，是用來對線路、設備實施控制、保護的，分固定式和手車式，而按進出線電壓等級又可以分高壓開關柜（固定式和手車式）和低壓開關柜（固定式和抽屜式）。開關柜的結構大體類似，主要分為母線室、斷路器室、二次控制室（儀表室）、饋線室，各室之間一般有鋼板隔離。
內部元器件包括：母線（匯流排）、斷路器、常規繼電器、綜合繼電保護裝置、計量儀表、隔離刀、指示燈、接地刀等。下列介紹應用角度劃分的
開關柜及其配電相關應用。
（1）進線柜
又叫受電柜，是用來從電網上接受電能的設備（從進線到母線），一般安裝有斷路器、CT、PT、隔離刀等元器件。
（2）出線柜
也叫饋電柜或配電柜，是用來分配電能的設備（從母線到各個出線），一般也安裝有斷路器、CT、PT、隔離刀等元器件。
（3）母線聯絡柜
也叫母線分斷柜，是用來連接兩段母線的設備（從母線到母線），在單母線分段、雙母線系統中常常要用到母線聯絡，以滿足用戶選擇不同運行方式的要求或保證故障情況下有選擇的切除負荷。
（4）PT柜
電壓互感器柜，一般是直接裝設到母線上，以檢測母線電壓和實現保護功能。
展開 【知識】高壓開關柜內部電氣元器件及其作用
由于不能夠完全保證分接開關的同步切換，所以有載調壓變壓器一般不能夠并聯運行。
7、有功負荷：
電力系統中產生機器能或熱能的負荷。但是負載中純阻性的負荷只消耗有功功率，如電熱、電爐、照明等電力負荷完全是有功負荷。而異步電動機、同步電動機的負載中既消耗有功功率，同時又消耗無功功率，其中作功產生機器能的部分屬有功負荷。有功負荷要由發電機有功功率來供應。
8、無功負荷：
在電力負載中不作功的部分。只在感性負載中才消耗無功功率。如：變壓器、電動機、空調、冰箱等。所以在發電機輸出有功功率的同時，還需要提供無功功率。
無功功率不能滿足電網時，系統的電壓將會下降，為了滿足用戶的需求，所以在變電所里要安裝無功補償器，來保持無功功率的平衡，這樣才能維持電壓水平。
9、事故備用：
電力系統中備用容量的組成部分之一。由于發電設備可能發生臨時性或永久性的故障而影響供電，所以系統必須設置一定數量的事故備用電源，來確保電力設施的安全。
10、系統解列：
為了防止系統失步和事故擴大，將完整的電力系統分解為幾個不再同步運行的獨立系統的一種措施。解列后某些局部系統可能會發生功率不足，頻率和電壓的下降因此需要切除部分負荷，來防止整個系統的穩定遭到破壞。
展開 純電動汽車的性能指標
所以電動機電動的額定功率為：
3. 電動機額定電壓的選擇
在相同輸出功率條件下，如果蓄電池組電壓高，
優點：電流小，對導線和開關等電器元件要求較低；
缺點：需要數量較多的蓄電池串聯。
蓄電池組串聯的蓄電池越多，對蓄電池不均勻性的影響也就越大;
車載設備的安全保護級別也需要提高。
在相同輸出功率條件下，額定電壓低，
優點：需要數量較少的蓄電池串聯。
蓄電池組串聯的蓄電池越少，對蓄電池不均勻性的影響也就越大;
缺點：要求導線截面積更大，功率開關器件額定電流更大，連接導線變粗而增大安裝布局的難度。
功率開關器件額定電流增大后其成本也隨之增加。
展開 高壓開關柜內部電氣元器件及其作用！
配電中除外線外我們應用最多的就是開關柜（switch cabinet），開關柜是一種電氣設備，是指按一定的線路方案將一次設備、二次設備組裝而成的成套配電裝置，是用來對線路、設備實施控制、保護的，分固定式和手車式，而按進出線電壓等級又可以分高壓開關柜（固定式和手車式）和低壓開關柜（固定式和抽屜式）。開關柜的結構大體類似，主要分為母線室、斷路器室、二次控制室（儀表室）、饋線室，各室之間一般有鋼板隔離。
內部元器件包括：母線（匯流排）、斷路器、常規繼電器、綜合繼電保護裝置、計量儀表、隔離刀、指示燈、接地刀等。下列介紹應用角度劃分的開關柜及其配電相關應用。
（1）進線柜
又叫受電柜，是用來從電網上接受電能的設備（從進線到母線），一般安裝有斷路器、CT、PT、隔離刀等元器件。
（2）出線柜
也叫饋電柜或配電柜，是用來分配電能的設備（從母線到各個出線），一般也安裝有斷路器、CT、PT、隔離刀等元器件。
（3）母線聯絡柜
也叫母線分斷柜，是用來連接兩段母線的設備（從母線到母線），在單母線分段、雙母線系統中常常要用到母線聯絡，以滿足用戶選擇不同運行方式的要求或保證故障情況下有選擇的切除負荷。
（4）PT柜
電壓互感器柜，一般是直接裝設到母線上，以檢測母線電壓和實現保護功能。內部主要安裝電壓互感器PT、隔離刀、熔斷器和避雷器等。
（5）隔離柜
是用來隔離兩端母線用的或者是隔離受電設備與供電設備用的，它可以給運行人員提供一個可見的端點，以方便維護和檢修作業。
展開 高壓開關柜內部電氣元器件及其作用！
由于不能夠完全保證分接開關的同步切換，所以有載調壓變壓器一般不能夠并聯運行。
7、有功負荷：
電力系統中產生機器能或熱能的負荷。但是負載中純阻性的負荷只消耗有功功率，如電熱、電爐、照明等電力負荷完全是有功負荷。而異步電動機、同步電動機的負載中既消耗有功功率，同時又消耗無功功率，其中作功產生機器能的部分屬有功負荷。有功負荷要由發電機有功功率來供應。
8、無功負荷：
在電力負載中不作功的部分。只在感性負載中才消耗無功功率。如：變壓器、電動機、空調、冰箱等。所以在發電機輸出有功功率的同時，還需要提供無功功率。
無功功率不能滿足電網時，系統的電壓將會下降，為了滿足用戶的需求，所以在變電所里要安裝無功補償器，來保持無功功率的平衡，這樣才能維持電壓水平。
9、事故備用：
電力系統中備用容量的組成部分之一。
展開 
功率半導體器件的機遇與挑戰
而美國半導體巨頭安森美半導體(ON Semiconductor）也將以車載半導體為中心，擴充功率半導體產品。
中國的比亞迪也在日前表示，明年會將其IGBT的產能從現在的5萬片提升到十萬片左右。
順便說一下，IGBT的歷史并不是很久遠。1990年左右進入市場，最初并未成為人們的話題。登場的契機居然是因為用在了豐田的混合動力車--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開始逐漸推廣用于汽車上。
SiC功率器件以電動車為中心，擴展用途
以IGBT為“主角”功率半導體市場很活躍，SiC功率半導體也相當備受矚目。Band gap（禁帶寬度）比硅（1.12）高3.26，熱傳導率也比硅（1.5）高4.9。在周波特性方面也很突出，在對應高電壓方面也實現了1,200V以上。可以說，對于高電壓、高電流應用方面是最合適的功率器件。
據中村先生說，“羅姆公司在本田的Clarity（一款氫燃料電池電動車）上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅動的燃料電池車，由于具有高溫條件下動作和低損耗特點，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過高頻切換也實現了電抗器的小型化。為此，擴大了內部空間，豐田的燃料電池車MIRAI可以坐4個人，本田的Clarity實現了5人座”。
SiC功率器件的目標市場是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車。最近也開始用于功率調節器（power conditioner）、工業機器的電源等方面。成本方面相當具有優越性。也開始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經使用，但是只采用了三菱電機公司的Full SiC。富士電機、日立制作所、東芝等公司還沒有實現Full。
德國英飛凌同樣是SiC市場一個重磅玩家。
展開 干貨｜小功率開關電源設計實戰
用電流型PWM控制芯片UC3842構成的單端正激式開關電源的主電路如圖6-1所示。
圖6-1 單端正激式開關電源的主電路
單端正激式開關電源加有磁通復位電路，以釋放勵磁電路的能量。在圖6-1中，開關管VT導通時V1導通，副邊線圈N2向負載供電，V4截止，反饋電線圈N3的電流為零；VT關斷時V1截止，V4導通，N3經電容C1濾波后向UC3842⑦腳供電，同時原邊線圈N1上產生的感應電動勢使V3導通并加在RC吸收回路。由于變壓器中的磁場能量可通過N3泄放，而不像一般的RC D磁通復位電路消耗在電阻上，因此可達到減少發熱，提高效率的目的。
元件設計
1) 變壓器和輸出電感的設計
依據UC3842應用方式，選定定時電阻RT＝1.8 kΩ，定時電容CT＝10 μF。確定開關頻率f＝85 kHz，周期T＝11.8 μs。
設計單端控制開關電源時，一般占空比D最大不超過0.5，這里選擇D＝0.5，則：
根據電源規格、輸出功率、開關頻率選擇PQ26/25磁芯，磁芯截面積S＝1.13 cm2，磁路有效長度l＝6.4 cm，飽和磁通密度BS＝0.4 T。取變壓器最大工作磁感應強度Bmax ＝ BS/3≈0.133 T，則電感系數A為：
變壓器原邊線圈匝數N1為：
式中，Ui為最小直流輸入電壓。
展開 RS瑞森半導體-大功率開關電源的應用
另外上千瓦的大功率開關電源，要求其高效、功率密度高、體積小、重量輕、成本低，PFC線路上采用瑞森半導體碳化硅（SiC）二極管可以提升大功率開關電源的功率密度和效率，有效降低了開關損耗。
五、大功率開關電源應用產品推薦
根據大功率開關電源對MOS管的需求，推薦瑞森半導體以下產品系列：
從IGBT到SiC，特斯拉汽車功率器件的變遷
SDU的出現使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴格的機械、電學以及可制造性的要求。筆者也有幸作為供應商，與多位特斯拉核心研發人員合作，一同參與了IGBT單管的定制工作，也由此負責了下一代特斯拉定制IGBT器件的開發。此后，特斯拉開始與功率半導體頭部廠商進行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設計，并最終推出了劃時代的第三代動力總成。
03
Model 3/Y
Model 3/Y動力總成相較于上一代產品更為緊湊，尤其是逆變器部分尤為明顯。原因之一是與其他公司的三合一電驅系統相比，特斯拉逆變器從上一代開始就選擇移去蓋板，緊貼減速器，因此減少了逆變器的重量和體積。但是更重要是，新一代的逆變器中選擇了全新的功率器件，并因此改變了逆變器的整體設計。
Model 3/Y中的動力總成，綠色部分為逆變器
（來源：Munro & Associates）
當特斯拉還在優化SDU的設計時，核心研發人員就已經在思考下一代動力總成該如何實現。尤其是前兩代系統、三種設計中中核心器件IGBT單管所用的TO247和TO247 Plus封裝，已經沒有很大潛力進一步增加電流規格和提高性能了。同時，雖然IGBT技術持續進步，但是帶來的多為量變而非質變。綜上，IGBT單管即將到達性能瓶頸。有鑒于此，特斯拉不僅與功率半導體廠商共同探討新功率芯片的選擇，還與一些先進封裝技術公司合作新封裝的開發。
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