近年來(lái)，電力電子半導(dǎo)體市場(chǎng)出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，主要是由于電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)（EV/HEV）和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的IGBT器件銷(xiāo)量增加。MOSFET 需求受到汽車(chē)電氣和網(wǎng)絡(luò)以及電信市場(chǎng)的推動(dòng)，由于 5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，未來(lái) 3 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.3%。除了日益嚴(yán)格的效率要求外，EV / HEV 細(xì)分市場(chǎng)還受到二氧化碳減排目標(biāo)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)。工業(yè)領(lǐng)域新動(dòng)力系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和相關(guān)控制的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新需要分立的高性能組件。新復(fù)合材料的使用可以通過(guò)提高所創(chuàng)建系統(tǒng)的效率來(lái)滿(mǎn)足這一需求。

一切都是“力量”

今天，電子功率界眾所周知，碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 半導(dǎo)體材料顯示出優(yōu)異的性能，與常見(jiàn)的硅基器件相比，允許在更高的電壓、更高的溫度和更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。

“我們可以看到市場(chǎng)明顯分為三個(gè)部分，” Maxim Integrated 的首席技術(shù)官Dave Dweley說(shuō)?！斑@些細(xì)分市場(chǎng)中的每一個(gè)都適合不同的半導(dǎo)體材料。大約 50 伏及以下的低壓部分非常適合硅器件。III-V 族半導(dǎo)體類(lèi)型所具有的優(yōu)勢(shì)，即全球范圍內(nèi)的 GaN 和 SiC 以及砷化鎵，都被其成本結(jié)構(gòu)所克服，只是它們的制造量與硅的制造量不同，因此它們不‘不具有相同的成本優(yōu)勢(shì)，或受到其他技術(shù)問(wèn)題的影響。

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，但將電流從晶體管輸出到電路板上的導(dǎo)體不如硅。

在非常低的電壓下，這些導(dǎo)體成為主要電阻，因此，GaN 在性能上沒(méi)有表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。對(duì)于低于 50 伏的電壓，硅就是答案。對(duì)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)檫@是寄生效應(yīng)不會(huì)受到太大影響的工作區(qū)域，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 到數(shù)千伏以上，碳化硅有一個(gè)很好的故事要講?！?/p>

使 SiC 在工業(yè)系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)因素可能表現(xiàn)為 SiC 承受“雪崩”條件的能力，這可能發(fā)生在感性負(fù)載中，即使 GaN 的值有所提高。

在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用 SiC 器件目前代表了一個(gè)真正的創(chuàng)新時(shí)刻，特別是對(duì)于汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化控制。

電機(jī)控制IC還有助于執(zhí)行各種操作，例如選擇電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、選擇和調(diào)整速度、防止過(guò)載、限制或調(diào)整扭矩以及防止故障。

由于生產(chǎn)技術(shù)、創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步的快速變化，到 2022 年，汽車(chē)和運(yùn)輸行業(yè)將在伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量和價(jià)值方面占據(jù)最大的市場(chǎng)份額。全球?qū)λ欧?qū)動(dòng)器、控制器和電機(jī)的需求也很旺盛，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭髽I(yè)提高生產(chǎn)效率。當(dāng)前的電機(jī)控制技術(shù)涉及使用微電子設(shè)備來(lái)提供更好的速度、位置和扭矩控制，以及更高的效率。

圖 1：緊湊型 4.5V 至 36V 全橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于每種類(lèi)型的電機(jī)，都有引導(dǎo)和速度和/或扭矩控制技術(shù)：從直流和通用電機(jī)的電壓和電流的簡(jiǎn)單控制，到交流電機(jī)的逆變器的使用，再到無(wú)刷電機(jī)中不同相位的反饋切換，用于復(fù)雜步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)序列的數(shù)字電路（圖 1）。

“檢測(cè)失速或過(guò)載情況，或者在不過(guò)熱或不造成電氣損壞的情況下充分發(fā)揮電機(jī)的性能，我們結(jié)合使用電機(jī)控制動(dòng)力系統(tǒng)和一些智能來(lái)觀察電機(jī)。這可確保電機(jī)按照應(yīng)用程序期望的方式運(yùn)行，并確保沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，需要采取措施 保護(hù)電路或電機(jī)?！?/p>

電源設(shè)計(jì)人員、電池管理系統(tǒng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器通常需要準(zhǔn)確測(cè)量電流。電流測(cè)量是電力電子學(xué)的一個(gè)組成部分。電流傳感器（不要與電流互感器混淆）可以測(cè)量直流和交流電流。電流傳感器最常用的技術(shù)是閉環(huán)霍爾效應(yīng)或閉環(huán)磁通門(mén)。通常，無(wú)論電源電壓如何，電源要求都在低于 30 mA 的范圍內(nèi)。

“霍爾傳感器或使用電阻分流器的電流傳感器提供了檢測(cè)進(jìn)入電機(jī)的電流的方法——該電流的直流和交流分量”，正如戴夫所說(shuō)?！安煌碾姍C(jī)和不同的策略需要不同的傳感器。 電流感應(yīng)使控制器能夠更好地選擇如何處理電機(jī)，這就是我們看到的差異化之處。Maxim 的策略主要基于電阻電流檢測(cè)。我們有幾種針對(duì)該市場(chǎng)的電流傳感產(chǎn)品，隨著我們構(gòu)建越來(lái)越復(fù)雜的電機(jī)控制設(shè)備，該功能將內(nèi)置到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。你會(huì)看到越來(lái)越多這樣的產(chǎn)品出現(xiàn)?！?/p>

任何霍爾效應(yīng)檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)都需要一個(gè)能夠響應(yīng)通過(guò)電子輸入接口檢測(cè)到的物理參數(shù)的磁性系統(tǒng)?；魻栃?yīng)傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)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(hào)（圖 2）。

電機(jī)控制活動(dòng)是許多工業(yè)領(lǐng)域的一部分，尤其是新興的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)?！笆闺妱?dòng)汽車(chē)與眾不同的是牽引電機(jī)，電動(dòng)牽引電機(jī)。牽引電機(jī)需要兩件事。它需要電機(jī)控制器，還需要電池管理系統(tǒng)。” 在許多市場(chǎng)中，能源效率和電機(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(cè)放大器

能量收集

談到電動(dòng)汽車(chē)，或許我們可以考慮能量收集。回收車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中消耗的能量是道路上能量收集背后的概念。強(qiáng)大的動(dòng)機(jī)支持了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的肯定：首先是環(huán)境兼容性，其次，但不是次要的，是功能簡(jiǎn)單性和能源效率。

功能簡(jiǎn)單是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)由數(shù)百個(gè)功能部件組成，所有部件都相互作用并處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)僅由電動(dòng)機(jī)組成，電動(dòng)機(jī)在功能上是唯一處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的推進(jìn)部件。

“能量收集是一個(gè)有趣的領(lǐng)域?？偟膩?lái)說(shuō)，它在電子領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用，但在車(chē)輛中，它更像是一個(gè)角落用例，因?yàn)楫?dāng)車(chē)輛行駛時(shí)，它會(huì)消耗大量的能量。這就是電池組如此大的原因。這通常意味著，由于牽引電機(jī)使用了 90% 的能量，而 HVAC 系統(tǒng)使用了幾乎所有其余的能量，汽車(chē)中的其余功能，它們使用多少能量并不重要，因?yàn)橛羞@個(gè)巨大的電池在地板下，在座位之間?！?正如戴夫所說(shuō)。

下一代系統(tǒng)的能源問(wèn)題將在使微電子技術(shù)的應(yīng)用特別普遍方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng)，在新興的“萬(wàn)物互聯(lián)”中更是如此。

“挑戰(zhàn)不僅在于在可以收集能量時(shí)收集能量，還在于在這些時(shí)間之間儲(chǔ)存能量，然后在能量?jī)?chǔ)存最終耗盡時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，以便當(dāng)能量確實(shí)回來(lái)時(shí)，它可以?xún)?yōu)雅地醒來(lái)。”

電源管理 IC

PMIC旨在提供許多優(yōu)勢(shì)，包括比標(biāo)準(zhǔn)解決方案低 40% 的能源，延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)提供市場(chǎng)上最緊湊的外形（圖 3）。

圖 3：3 輸出 SIMO 降壓-升壓穩(wěn)壓器

PMIC 器件為產(chǎn)品提供電源電路解決方案。此類(lèi)別包括：電壓調(diào)節(jié)器、電池管理和監(jiān)控器、LED 驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器/控制器。大多數(shù)解決方案為許多常見(jiàn)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)相關(guān)的復(fù)雜電流要求。電池電量可能會(huì)降至臨界水平以下，在這種情況下，相關(guān)電路將無(wú)法用于各種控制應(yīng)用。PMIC 在單個(gè)器件中結(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。

審核編輯：郭婷