作者：Maurizio Di Paolo Emilio

近年來，電力電子半導(dǎo)體市場迅速增長，這主要?dú)w功于用于電動/混合動力汽車（EV / HEV）和電機(jī)驅(qū)動器的IGBT器件的銷售增長。MOSFET的需求由汽車電氣，網(wǎng)絡(luò)和電信市場驅(qū)動，由于5G網(wǎng)絡(luò)的普及，未來三年的復(fù)合年增長率為8.3％。除了對效率的要求越來越嚴(yán)格之外，EV / HEV細(xì)分市場在技術(shù)上還受到CO2減排目標(biāo)的驅(qū)動。工業(yè)領(lǐng)域中新動力系統(tǒng)，電動機(jī)和相對控制的開發(fā)和創(chuàng)新需要分立的高性能組件。通過提高所創(chuàng)建系統(tǒng)的效率，使用新的復(fù)合材料可以滿足這一需求。

一切都是“力量”

如今，在電子電源社區(qū)中眾所周知的是，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體材料顯示出優(yōu)異的性能，相對于普通的硅基器件，允許在更高的電壓，更高的溫度和更高的開關(guān)頻率下工作。

Maxim Integrated首席技術(shù)官Dave Dwelley表示：“我們可以看到市場顯然分為三個(gè)部分。”這些細(xì)分市場中的每一個(gè)都適合不同的半導(dǎo)體材料。大約50伏及以下的低壓段非常適合硅器件。III-V半導(dǎo)體類型具有的優(yōu)勢，即GaN，SiC和砷化鎵在世界范圍內(nèi)都可以通過其成本結(jié)構(gòu)來克服，它們的制造量與硅的生產(chǎn)量不同，因此它們沒有具有相同的成本優(yōu)勢或其他技術(shù)問題。

Maxim Integrated首席技術(shù)官Dave Dwelley

氮化鎵是一個(gè)很好的例子，其中實(shí)際的內(nèi)部晶體管具有極高的性能，但是將電流從晶體管中帶出并流到電路板上的導(dǎo)體卻不如硅。

在非常低的電壓下，這些導(dǎo)體將成為主要的電阻，結(jié)果，GaN在性能上沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢。對于低于50伏的電壓，硅就是答案。對于50到400伏之間的電壓，我們認(rèn)為GaN被證明是更好的選擇，因?yàn)樵谠搮^(qū)域中，寄生效應(yīng)不會受到太大影響，并且GaN正在迅速獲得更好的成本結(jié)構(gòu)。然后，在大約500、600，高達(dá)數(shù)千伏特的電壓下，碳化硅有一個(gè)很好的故事可講。”

在工業(yè)系統(tǒng)中使SiC具有優(yōu)勢的一個(gè)因素可能是SiC承受“雪崩”條件的能力所代表的，這在感應(yīng)負(fù)載下可能會發(fā)生，即使GaN的值得到了改善。

在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用SiC器件目前代表著創(chuàng)新的現(xiàn)實(shí)時(shí)刻，尤其是在汽車和工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。

電動機(jī)控制IC還有助于執(zhí)行各種操作，例如選擇電動機(jī)的正向或反向旋轉(zhuǎn)，選擇和調(diào)節(jié)速度，防止過載，限制或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩以及防止故障。

由于生產(chǎn)技術(shù)，創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步的迅速變化，到2022年，汽車和運(yùn)輸行業(yè)應(yīng)在伺服電機(jī)和驅(qū)動器的數(shù)量和價(jià)值方面占據(jù)最大的市場份額。伺服驅(qū)動器，控制器和電動機(jī)在全球范圍內(nèi)也有很高的需求，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭?a target="_blank">公司提高生產(chǎn)效率。當(dāng)前的電動機(jī)控制技術(shù)涉及使用微電子設(shè)備來更好地控制速度，位置和扭矩，并提高效率。

圖1：緊湊型4.5V至36V全橋直流電動機(jī)驅(qū)動器[來源：Maxim Integrated]

對于每種類型的電動機(jī)，都有控制，速度和/或轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)：范圍從簡單控制直流電動機(jī)和通用電動機(jī)的電壓和電流到使用交流電動機(jī)的逆變器，再到無刷電動機(jī)中不同相的反饋切換，直至用于復(fù)雜步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動序列的數(shù)字電路（圖1）。

“檢測失速或過載情況，或在不使電動機(jī)過熱的情況下扭曲電機(jī)的每一盎司性能，而不會造成電氣損壞，這些都是我們結(jié)合使用電動機(jī)控制動力總成和一些智能來監(jiān)視電動機(jī)的領(lǐng)域。這樣可以確保電動機(jī)表現(xiàn)出應(yīng)用程序期望的行為方式，并確保沒有出現(xiàn)任何問題，從而需要采取措施來保護(hù)電路或電動機(jī)。”

電源設(shè)計(jì)人員，電池管理系統(tǒng)和電動驅(qū)動器經(jīng)常面臨準(zhǔn)確測量電流的需求。電流測量是電力電子設(shè)備不可或缺的一部分。電流傳感器（不要與電流互感器混淆）可以測量直流和交流電流。電流傳感器使用最多的技術(shù)是閉環(huán)霍爾效應(yīng)或閉環(huán)磁通門。通常，無論電源電壓如何，功率要求都在30 mA以下。

“霍爾傳感器或使用電阻分流器的電流傳感器，提供了檢測流入電動機(jī)的電流的方法-該電流的直流分量和交流分量”，如Dave所說。“不同的電動機(jī)和不同的策略需要不同的傳感器。電流感應(yīng)使控制器可以更好地選擇如何處理電動機(jī)，這就是我們所看到的。Maxim的策略主要基于電阻電流檢測。我們有針對該市場的幾種電流感應(yīng)產(chǎn)品，并且隨著我們構(gòu)建越來越復(fù)雜的電機(jī)控制設(shè)備，該功能將內(nèi)置于電機(jī)驅(qū)動器中。您將看到越來越多的類似產(chǎn)品。”

任何霍爾效應(yīng)檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)都需要能夠響應(yīng)通過電子輸入接口檢測到的物理參數(shù)的磁性系統(tǒng)。霍爾效應(yīng)傳感器檢測磁場，并根據(jù)電子系統(tǒng)的要求產(chǎn)生適當(dāng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬或數(shù)字信號（圖2）。

電機(jī)控制活動是許多工業(yè)領(lǐng)域的一部分，尤其是新興的電動汽車市場。“使電動汽車與眾不同的是牽引電機(jī)，即電動牽引電機(jī)。那個(gè)牽引電機(jī)需要兩件事。它需要電動機(jī)控制器，并且需要電池管理系統(tǒng)。”在許多市場中，能效和電機(jī)控制是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的兩個(gè)要素或挑戰(zhàn)。

圖2：具有PWM抑制功能的雙向電流檢測放大器[來源：Maxim Integrated]

能量收集

當(dāng)涉及電動汽車時(shí)，也許我們可以考慮收集能量。回收車輛在運(yùn)動和制動過程中所消耗的能量是公路上能量收集的基本原理。強(qiáng)烈的動機(jī)支持對電動汽車的肯定：首先，一個(gè)與環(huán)境相容性有關(guān)，其次，但次要的是與功能簡單性和能源效率有關(guān)的重要性。

功能簡單性是由于內(nèi)燃機(jī)由數(shù)百個(gè)彼此相互作用并處于運(yùn)動狀態(tài)的功能部件組成，而電動汽車發(fā)動機(jī)僅由電動機(jī)組成，而電動機(jī)在功能上是唯一處于運(yùn)動中的推進(jìn)部件。

“能量收集是一個(gè)有趣的領(lǐng)域。通常，它在電子空間中具有巨大的應(yīng)用，但是在車輛中，它更多地是轉(zhuǎn)角用例，因?yàn)楫?dāng)車輛行駛時(shí)，它會消耗大量的能量。這就是電池組這么大的原因。這通常意味著什么，因?yàn)闋恳妱訖C(jī)消耗了90％的能量，而HVAC系統(tǒng)幾乎消耗了汽車中的其余所有剩余功能，因此它們消耗多少能量無關(guān)緊要，因?yàn)檫@就是巨大的電池放到地板之間，座位之間。”正如戴夫所說。

下一代系統(tǒng)的能源問題將在使微電子技術(shù)的應(yīng)用特別普及的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng)，以及在新興的“萬物有效的互聯(lián)網(wǎng)”中更是如此。

“挑戰(zhàn)不僅是在可以收集能量時(shí)收集能量，還要在這些時(shí)間之間存儲能量，然后在能量存儲最終用完時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出信號，以便當(dāng)能量恢復(fù)時(shí)，它可以優(yōu)雅地喚醒。”

電源管理IC

PMIC旨在提供許多好處，包括比標(biāo)準(zhǔn)解決方案節(jié)省40％的能量，從而在延長電池壽命的同時(shí)提供了市場上最緊湊的外形尺寸（圖3）。

圖3：3輸出SIMO降壓-升壓型穩(wěn)壓器[來源：Maxim Integrated]

PMIC器件為產(chǎn)品提供電源電路解決方案。此類別包括：穩(wěn)壓器，電池管理和監(jiān)控器，LED驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器/控制器。大多數(shù)解決方案為許多常見微處理器和FPGA的所有電源軌提供集成解決方案。電池具有與電池化學(xué)有關(guān)的復(fù)雜電流要求。電池電量可能會降至臨界水平以下，在該臨界水平下，依賴的電路將無法在各種控制應(yīng)用中工作。PMIC在單個(gè)設(shè)備中結(jié)合了多種電源和安全功能，以減少設(shè)計(jì)時(shí)間和電路板空間。

編輯：hfy