新一代功率器件及电源管理IC的发展概况

作者 / 王莹 王金旺 《电子产品世界》编辑(北京 100036)

摘要：介绍了包括SiC、GaN在内的新一代功率器件，面向工业和汽车的新型功率模块，可穿戴设备的电源管理IC的发展概况及相关新技术和热门产品。

新一代功率器件动向：SiC和GaN

英飞凌：功率半导体技术进步为电路创新提供契机

　　近年来，由于节能环保的概念日益深化，在资源有限的现实环境下，各国政府以及相关机构也相应制定出法律法规，积极发展绿色能源。例如太阳能、电动车以及充电站等配套设备，需要依靠高效率的电源转换器，才能使设备发挥出最佳性能。

　　电源转换器技术着重在高功率密度以及高转换效率，可进一步缩小转换器的重量与体积，提高能源的利用率。目前电源技术拓扑架构发展已经趋于成熟，不同的功率都有与其相适应的转换器架构，如果想要进一步提升效率，重点在于新的功率元件材料的使用。功率半导体技术进步也为电路创新提供契机，新的电源拓扑结构不断创新，传统简单的拓扑得以重生。

　　英飞凌碳化硅和氮化镓领域产品

　　为了满足上述趋势需求，近年来，像碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这样的宽能隙材料应运而生且被成功地商品化。而英飞凌最新一代GaN系列产品，已经实现了功率转化效率达到硅芯片10到100倍的突破性改善效果。

　　英飞凌持续关注基于复合半导体的新技术，扩展SiC和GaN领域的产品。2017财年，在SiC MOSFET产品方面实现首次营收，这一关键技术的突破性进展为持续成功奠定基础。2017年英飞凌推出了分立器件和模块，即TO-247的三管脚、四管脚封装。模块包括EasyB 系列和62 mm封装系列，可用于太阳能、传动UPS和电源应用上。

　　首先，1200 V SiC MOSEFT采用的沟槽栅技术的一大优势在于持久的坚固耐用性，失效率很低，这得益于门级氧化层的可靠性;第二，实现业界SiC器件导通、开关损耗最低，温升最低，效率最高;第三，英飞凌SiC器件有高可靠性。这是由于其具备较低的失效率(FIT)和有效的短路能力，可适应不同的应用挑战。得益于4 V的阈值电压(Vth)和+15 V的推荐接通阈值(VGS)，可以像驱动IGBT一样驱动英飞凌的SiC MOSEFT，在发生故障时得以安全关闭。用户不需要专门再设计特别的驱动电力，这样就大大提高了碳化硅产品普及的速度。

新一代功率器件动向：SiC和GaN

　　更为严格的行业标准和政府法规的变迁是更高能效产品的关键驱动因素。例如数据中心正呈指数级增长以跟上需求，其耗电量约占全球总电力供应量(+ 400 TWh)的3%，也占总温室气体排放量的2%，与航空业的碳排放量相同。在这些巨大的能源需求之下，各地政府正加紧实施更严格的标准和新的法规，以确保所有依赖能源的产品必须达到高能效。

　　我们也看到对更高功率密度和更小空间的需求。电动汽车正尝试减轻重量并提高能效，以实现更高的续航里程。车载充电器(OBC)和牵引逆变器如今正在采用宽禁带产品来达标。

　　SiC和GaN是宽禁带(WBG)材料，为下一代功率器件提供基础。与硅相比，它们的特性和性能更出色，因为其类金刚石的结构要求更高的能量，以将稳定的电子移动到传导之中。

　　其主要的优势之一是显著减少开关损耗，这使器件工作更低温，有助于缩小散热器和成本。其次是增加了开关速度。如今设计师能超越硅MOSFET或IGBT的物理极限，让系统能够减少变压器、电感器和电容器等无源元件。因此WBG方案能提高系统能效、缩小尺寸、降低元件成本及提高功率密度。

　　安森美SiC及GaN产品

　　SiC二极管广泛用于各种要求最高能效的PFC拓扑。EMI极快的反向恢复使其也更容易处理。安森美半导体提供完整的650 V和1200 V SiC二极管阵容，涵盖单相和多相应用中的所有功率范围。

　　GaN越来越被市场所接受。该技术经历了几次迭代;从“D模式”到共源共栅(Cascode)，再到现在最新的“E模式”(常关)设备。GaN具有闪电般速度，对PCB布局和门驱动的要求很高。我们看到设计人员正了解如何使用GaN及其与硅相比的显著优势。

SiC和GaN产品市场趋势及力特提供的产品

　　碳化硅半导体类功率器件例如MOS管具有非常小的门极电荷和开关损耗，而且很容易驱动工作在本体温度超过150 ℃的情况下。还很容易提升MOS管工作电压到1200 V或1700 V。这些是对于传统硅MOS管来说是很明显的优势， 在一些功率转换应用中同样的芯片大小或封装大小，SiC器件散热将不再是一个大问题。

　　随着越来越多的SiC/GaN外延片准备就绪，商用SiC和GaN材料有一个更好的成本去生产SiC元器件，像SiC肖特基二极管、SiC MOS管、SiC TVS二极管、SiC防静电二极管等。

　　美国力特从2014年起，通过自身开发功率器件和收购第三方功率器件公司，持续增加对功率控制业务的投资。在2015年，力特通过控股Monolithic半导体公司扩充了SiC半导体产品线;2017年，力特收购IXYS公司。所有这些步骤巩固了力特在功率半导体业务的地位。

　　对于SiC产品而言，力特在市场投放了1200 V 碳化硅肖特基二极管系列和一个重要的1200 V SiC MOS管。2018年还会有一些激动人心的产品发布，包括1700 V SiC MOS管和SiC肖特基二极管，650 V SiC肖特基二极管。关于市场需求和电动汽车增长，900 V SiC MOS管和650 V碳化硅肖特基二极管也在产品路标中，预计2018年底投放市场。力特非常致力于给予电动汽车充电桩，电动汽车车载充电器、风能、太阳能、工业驱动、服务器和以太网电源这些高功率高效率电源转换系统以SiC产品解决方案。

SiC将与IGBT或MOSFET共存

　　瑞萨电子中国汽车电子业务中心高级部门专家落合康彦表示，虽然SiC有成本方面的问题，但是其众所周知的在各个高端应用中所表现出的高性能也能够弥补其在价格方面的短板，尤其是电动车与再生能源越来越受到重视，将为中功率、高功率应用领域带来大量需求。GaN技术能够降低成本，又能够保持半导体器件的优越性能，在中、低功率应用领域具备拥有巨大潜力。但也并不是说将来所有的功率器件都会被SiC替代，瑞萨认为SiC和现存的IGBT或MOSFET都能在其有优势的领域中共同发挥所长，共生共栖。

　　瑞萨电子已经推出了集成电源转换电路的低损耗SiC功率器件，能够提供工业设备的电源产品的功率器件的解决方案，同时也着手开始以面向车载为重点的SiC MOSFET的研发，为电动汽车的应用带来更好的解决方案。

纳微GaNFast解决方案

　　伴随着宽带隙技术将取代旧式硅器件，这将是一个动态变化的时代。平面GaN器件正在取代高达650 V和5 KW的Si FET器件，而在更高电压和功率水平应用中，垂直SiC部件取代Si IGBT。纳微通过全新的高成本效益GaNFast解决方案，着手解决价值300亿美元的Si FET和驱动器市场需求。

　　FET、驱动器和逻辑电路的单片集成，全部采用650 V GaN工艺，从而实现许多软开关拓扑和应用中的高速、高频率、高效率操作。这意味着Navitas GaNFast器件和参考设计实现了小尺寸、低重量和高效率水平，为从智能手机和平板电脑到笔记本电脑、监视器和游戏系统等终端产品带来快速充电速度。近期纳微公司宣布推出27 W USB-PD快速充电器和世界上通用适配器。GaN集成技术已经克服了工程和商业上的障碍，以实现新一代高频率、高效率和高密度电源系统。

工业和汽车

ADI的µModule®完整电源解决方案

　　ADI的 µModule® (微型模块) 产品是完整的系统级封装 (SiP) 解决方案，可极大限度缩短设计时间，并解决工业和医疗系统中常见的电路板空间和安装密度问题。其在紧凑的表面贴装型 BGA 或 LGA 封装中内置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器。在设计中采用 ADI 的 µModule 产品，能使完成设计过程所需的时间缩减 50%，这取决于设计的复杂程度。µModule 系列将组件选择、优化和布局的设计负担从设计师转移到了器件身上，从而缩短了总体设计时间和系统故障排除过程，并最终加快了产品上市速度。

　　µModule 产品系列广泛适合于众多的应用，包括负载点稳压器、电池充电器、LED 驱动器、电源系统管理 (PMBus 数字控制式电源) 和隔离式转换器。µModule 电源产品是高度集成的解决方案，可为每款器件提供 PCB 光绘 (Gerber) 文件，因而能在满足时间和空间限制条件的同时提供一种高效、可靠的解决方案，某些产品还可符合 EN55022 Class B 标准以达到低 EMI 要求。这使得它们非常适用于汽车、工业和广泛的通信系统。

　　由于设计资源在系统复杂性增加和设计周期缩短的情况下变得紧张，因此工作重点放在了系统关键知识产权的开发上。这常常意味着电源部分会被暂时搁置在一边，直到开发周期的后期才会予以考虑。由于留出的时间微乎其微，而且专业的电源设计资源可能十分有限，因此要开发出具有尽可能小占板面积的高效率解决方案;同时还在可能的情况下充分利用 PCB 背面上的未用面积以实现最大的空间利用率，这就面临压力了。

　　μModule 稳压器提供了一种理想的应对方案;其原理是“内繁外简”，兼具开关稳压器效率高和线性稳压器设计简单的特点。在开关稳压器的设计中，谨慎的设计、PCB 布局和组件选择是非常重要的，许多有经验的设计师在其职业生涯的早期都曾经嗅到过燃烧的电路板所散发出的独特“香味”。当时间短或电源设计经验有限时，现成的 μModule 稳压器可节省时间并降低项目所承受的风险。LTM4661 是一款新推出的 μModule 稳压器。

整套设备的智能化将是大势所趋

　　瑞萨电子中国汽车电子业务中心高级部门专家落合康彦表示，面向工业设备的电源产品的使用条件比较苛刻，有的应用需要24小时365天无间断运转，所以设计与研发电源产品时，对功率器件要求很高，必须有要两个方面的技术考虑：一是损耗特性，由于无间断运转的需求，如何减少器件所产生的损耗对工厂电费有直接影响。且不同的应用需要不同的开关频率，按照实际的开关频率要求，决定优先考虑的是导通损耗还是开关损耗，而后决定最佳的选择;二是可靠性，特别是在无人工厂，器件的故障会直接影响到工厂运作造成损失，所以器件的耐受性也是需要优先考虑的。电源产品的智能化有助于解决这些问题，但是电源产品所采用的功率器件是比较大的，通常是多个芯片的并联使用，所以瑞萨电子认为不是单个芯片(或芯片群)的智能化，而是整套设备的智能化必将是大势所趋。

　　瑞萨电子在纯电动车的功率器件上具有很多优势，在应用方面，纯电动车用的IGBT有非常大的发展前途。特别是在中国，由于政府主导以及社会的对环保的重视，可期待在中国市场有区别于其他国家和地区的大规模且迅速的发展。瑞萨电子将会针对纯电动车的应用而研发出最佳的电源产品，为顾客提供整个智能化的变频器解决方案。

工业及汽车功率模块的市场技术方案需求

　　功率半导体/电源管理方案的市场趋势与各政府政策/各种能源法规/新应用市场规模的增长等密切相关。近年来，由于工业/工厂自动化和电动汽车应用的扩展，中国是这一趋势变化最大的国家，而由于空气污染问题，中国政府将煤转电政策推向全国。亚洲其他地区包括韩国和日本也以税务或补贴计划加快推动高能效的方案。虽然欧洲、中东和非洲以及美国市场略弱于其它地区，但也逐渐开始投资这市场，尤其是工业逆变器和电动汽车的快速发展。

　　这些应用的关键是“高能效、高集成度、高密度”，安森美半导体完全符合市场对细节/多样化的需求，相信功率模块绝对是正解。市场需要不同应用的模块方案，工业/ 暖通空调市场需要IPM(智能功率模块)和PIM(功率集成模块)，汽车市场需要牵引模块、OBC(车载充电器)模块和IPM。市场需要模块的主因是客户要实现“合乎尺寸/成本的高密度系统”，和“集成所有”;几十个功率硅开关——IGBT、MOSFET、SiC和GaN;复杂的门驱动器单元电路和量产功能，如位于一个小型封装中的热敏电阻、De-sat(即desaturation，去饱和)等。而当前的功率硅片/WBG(宽禁带)技术恰能满足复杂的市场需求，且模块封装技术也为小尺寸、超低Rth(j-c)材料、高温保证EMC(环氧树脂成型复合材料)、 更长生命周期(电源循环、TMCL)，如DSC(双面冷却)、烧结、附着力促进材料等提供了非常好的思路。功率模块封装技术比以前变得重要，特别是更大功率的方案，封装的可靠性和专有技术比硅技术更关键。所以每种材料选择都关乎封装与硅组合的可靠性。功率模块方案的另一关键技术是如何将完全不同的材料和硅结合到/连接到同一封装。

　　根据市场的多样化需求，特别是汽车功能电子化，这些功率模块技术将在未来10年发展非常快，将助力整个电源行业实现缩减系统尺寸、高能效、超长使用寿命。

可穿戴产品的功率管理

完备的电源解决方案为可穿戴设备提供持久续航

　　随着创新型社会的进步, 市场对可穿戴产品的需求是个趋势, 主要是因为可穿戴产品可以带来便携性、及时性，使用者可以在任何时间任何地点及时获取自己想要的信息，这样无论给工作还是生活都会带来很大的便利。既然是可穿戴便携的特性，功能上要尽量满足实际生活工作中各种各样的要求，同时需要产品要尽可能小巧、电池续航能力要强，而这是一个平衡的过程，因为要实现产品功能多样化，同时能够实时监控或者获取信息，那就需要设备一直处于工作状态。而可穿戴产品一般供电电池是锂电池、星空纽扣电池等，这种电池的容量本身比较有限，如果这些容量有限的电池可以让可穿戴产品长时间地工作，续航能力达到市场需要的水准，这才是整个产品生态链里面关注的方向，也让使用者提升体验感。

　　安森美半导体在医疗半导体行业有多年的深入和研发投入，电源方案从工艺上和产品架构设计上采用了先进的技术，达到功耗的突破，比如现在物联网比较流行的BLE，安森美半导体SoC方案RSL10可以提供1.1~3.6 V的供电范围，深度睡眠唤醒电流只需要50 nA。同时针对可穿戴的产品助听器，安森美半导体可提供1 mA左右的工作电流，达到延长助听器的续航;另外，安森美半导体有多样化的电源提供方案如LDO、DC-DC等，都具高转换效率。在针对可以需要的集成多电源方案方面，安森美半导体有非常成熟的PMIC集成电源管理芯片，让系统供电最优化，从而达到节省电源延长电池使用寿命。

　　参考文献：

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　　[5]Marc Buschkühle.1200V CoolSiCTM MOSFET兼具高性能与高可靠性[J].电子产品世界,2017(7):80-83.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第14页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。