張三嶺：本次演講介紹一下我們在功率應用中對現(xiàn)有一些挑戰(zhàn)的應對方案。飛兆半導體，有朋友知道是歷史蠻悠久的半導體公司，以前號稱硅谷之根。在功率類的應用里面，包括功率分離器件、功率模擬器件，今天介紹的模塊，是模擬器件、分立器件、封裝器件的結合。我的題目是功率應用中的挑戰(zhàn)和應對，集成化的功率模塊。
首先大家可以看到能源效率是日趨重要，EIA的統(tǒng)計數(shù)字，2010年全球電力消耗達到4200億度，中國是全球第二大能耗地，僅次于美國。具體到中國的狀況，這里有一個很重要的數(shù)字，在中國電耗的增加速度快過GDP的增加數(shù)字，這是非常不好的現(xiàn)象，會阻礙中國可持續(xù)發(fā)展的問題。電力的消耗增長速度超過 GDP增長速度。到2006年，中國已經(jīng)是最大的電子產品生產基地，比如電視、洗衣機、冰箱等，都已經(jīng)是千萬級，穩(wěn)居世界第一。為了應對日趨嚴重的能源消耗，世界各國，包括中國出臺了很多很多的限制性的或者鼓勵性的一些措施，提高能效。這是日本的能效標識，這是歐盟的，這兩個大家聽得比較多，一個是電子產品上面的節(jié)能標識，還有在白色家電上普遍采用的能效標識，大家很容易看到要買比較綠的，比較節(jié)能。下面是銅牌、銀牌、金牌，最近聽說還有白金牌，這些都是美國政府所出臺的規(guī)定，比如PC機能耗比較節(jié)能，政府會有津貼，這就說明能源的消耗已經(jīng)是全球性的問題。
我們可以看一下能源消耗在什么位置，統(tǒng)計數(shù)字表示，全世界電力消耗51%是在各種各樣的驅動，各種各樣的運動控制、運動驅動，51%，這是最大的一塊，包括電力機車、電梯，小到電梯門、自動窗等等。照明19%，還有制熱和制冷占16%，普遍可以看到的IT，包括通訊、手機、PC等等占到14%。這里面大頭是運動和照明。在這里面才是具體用電單元的消耗。看一下節(jié)能的潛力有多大，從白熾燈泡轉換成節(jié)能燈，可以節(jié)能75%。單向交流電機改為控制變速的電機可以節(jié)能40%。然后感應電機可以再節(jié)能5%。做好待機功耗，比如小于1瓦或者小于0.1瓦的功耗，可以把家庭用電降低5%到10%，底下這部分，這個是一個例子，我們以一個空調器為例，一個最傳統(tǒng)的我們稱為交流空調器或者定頻空調器，它的耗電是100%，如果采用AC耗電的話可以降到80%，如果采用 DC直流可以降到60%。開關電源本身的升級換代可以大幅度提升能源效率，照明，這是一個CFL，更熱的是LED，節(jié)能效益是很顯著的。
但是問題是越是節(jié)能的系統(tǒng)，它的系統(tǒng)構成越復雜，控制包括轉換的構成越復雜，這就帶來一個挑戰(zhàn)，就是今天我們要討論的，比如說電力消耗最大的一塊是電機的驅動，最傳統(tǒng)的交流電，然后做一個開關，控制單向交流電機的供電或者是關斷，定頻的空調就是這樣簡單，只是增加了一個MCU，接收遙控器等等。壓縮機我們認為就是一個電機。但是到了變頻空調就復雜了很多，有EMI的處理單元，有整流單元，得到了DC，然后DC還要兵分兩路，一路給變頻器使用，另一路給控制板使用，各個部分都有自己的挑戰(zhàn)。具體我們看一下，因為是變頻，我們有一個從DC轉到AC的過程，所以高速開關一定會存在，EMI是很重要的單元，有了這個之后，后面還是AC，AC轉DC，你可以用PIC實現(xiàn)，也可以用整流槽實現(xiàn)，絕大部分以空調為例，都是PIC的。它這里要解決的是諧波失真，要符合規(guī)范，效率值要夠高。它這部分也要考慮EMI，到了INVERTER部分，它有它的效率，它的方法、控制單元都有它的效率。再一個電流取樣技術，也是一個重點。
電機本身也有效率，也有一個工作范圍效率的考量，控制器，目前常見的有DSP的、MCU的，它也要處理無傳感器的算法，以及無電流采樣的算法，對 DSP和MCU技術也是挑戰(zhàn)，總之，在這樣一個系統(tǒng)里面，雖然能達到高效率，但是在技術實現(xiàn)角度來說，挑戰(zhàn)處處都在。剛才那個是個圖，從框架結構解釋了一下變頻電機系統(tǒng)所有的組成，這只是器件的分布和他們的組成關系，整流、PFC，PCF得到DC，這DSP或者MCU，這部分要做AC轉DC的轉換器，DSP需要供電，因此在這個里面，大家可以看到，有兩個地方，我們用黃色的圈圈，圈起來，這是決定了整個系統(tǒng)的效率和性能，有UVW三項的變，每一路都需要IGBT，還要有二極管，還要有驅動電路，如果繼續(xù)展開，這個驅動電路還可以展開為若干個三極管，若干個被動元件組成的電路，這樣一個系統(tǒng)做一定能做得出來，但是能不能性能很穩(wěn)定，能不能效率很高，能不能各項指標得到優(yōu)化，這對系統(tǒng)設計工程師來說是蠻棘手的問題，他要考慮效率的問題，各項驅動如果速度太慢，速度不過高，EMI的問題，速度夠高，EMI又成了負的效果。功率密度的問題，這個TCE你能做多大，做得太大系統(tǒng)很容易受到干擾，做得太小，熱的處理很難解決。
PFC部分也是很難解決的，比如2000瓦到3000瓦，這是對PFC比較棘手的范圍了，我們一般采用CCM，因此這部分對半導體廠商來說就產生了商機，我們用模塊化的解決方案來處理它。將PFC部分集成化，做模塊，這只是兩個例子。這是模塊具體長的樣子，基本上現(xiàn)在市面上2000瓦到3000瓦大概是這個樣子，也就是比4、5個硬幣大一點，如果是1500瓦以內，可以采用這樣的封裝，也是大概火柴盒大小。因此模塊化的方案，首先很簡潔，我們看一下它具體解決了哪些問題。這部分，大家看到的是IGBT，實際上這里面集成了二極管，這里面本身是二合一的封裝，這是6乘2，12個，一共是18個，所以從數(shù)目上面，大大降低，使得你的生產效率和你的產出率，因為很重要一個問題，生產線上的成品率的問題。第二個，我們看一下保護電路，從線路的性能上面來考慮，比如這樣一個模塊必然有很多保護電路，我們稱為異常狀況情況下需要及時關機，同時還要向MCU報警，這些保護電路完全可以做，但是一致性、延遲、受外部干擾不保護，都是模塊所能優(yōu)化。第三個，設計的考量，比如說開關速度就是一種妥協(xié)，是系統(tǒng)效率、開關管的效率和EMI的妥協(xié)，我們希望越快越好，但是我們也希望越慢越好，因為EMI。對于模塊，也就是半導體廠商會進行系統(tǒng)優(yōu)化，匹配出合適的速度。
剛才講了可以降低器件數(shù)目，可以生產簡單，等等，更重要的是可以改善性能，從功率模塊的角度來講，改善性能三個主要方面，一個是功率密度，所謂功率密度，你可以用多么小的東西做出多么大的功率，一個額定的功率，可以用多么小的體積實現(xiàn)，毫無疑問模塊說話就小。第二，EMI，剛才講過EMI是要去優(yōu)化、設計，開關速度，可以把PCB級的結構設計可以變成半導體結構的設計。第三是熱設計，怎么使半導體發(fā)生的熱散到空氣中去，所以我們可以采用最新的基板技術，比如DBC技術，它可以大幅度降低熱阻。因此，模塊不僅僅是簡單的組裝，而是一種系統(tǒng)性能的優(yōu)化。看一下集成之后的系統(tǒng)變得很簡單，控制器、模塊、電極，解決掉了。
這是一個實例，空調器，帶PFC的空調器控制板，這是反面雙面板，這是開關電源，這只是125毫米乘96毫米，也就是半個巴掌大，一個空調控制板就完成了，類似這樣的模塊，已經(jīng)廣泛在白色家電里面采用。電冰箱還有少量的分立器件，洗衣機也是這樣。
剛才講了，運動占了51%的能耗，其他的都可以概括為開關電源，因此開關電源的控制器、變壓器這么一個基本構架，但是光有基本構架系統(tǒng)是無法工作，比如需要各種各樣的保護功能，比如你需要待機控制，比如你還需要特殊的工作模式，同步啊、轉諧振控制，以提高效率。同時還需要針對EMI的特性等等，這些都可以通過模塊化方案來解決，比如我們針對一個LCD-TV的開關電源，設計出一種模塊化電源，把該有的性能全部集中。我們看到把取樣、保護全部集中起來，做在一個封裝里面，周邊的器件和新增加的功能全部一顆解決，這是一個控制器，這是開關電源，核心的東西，我們可以看到很多保護電路和增加低待機功耗，這個解決EMI，這個解決變壓器高壓啟動，以降低待機功耗以實現(xiàn)外部電流調整來控制輸出功率，這些蠻先進的功能都可以實現(xiàn)在一個模塊里面，這是模塊所呈現(xiàn)的模樣。在這樣一個系統(tǒng)里面，結構得到了簡化，同樣它的性能還可以得到優(yōu)化，比如我們可以讓啟動的時候它的電流是逐漸增加的，各個周期逐漸展開.
比如說過載保護，可以設定出一個極限，在什么樣的情況下，什么樣的時間里面發(fā)生異常多長時間進行保護，這些都是可以很方便的實現(xiàn)，這是各種各樣的保護，過載保護、過流保護。這是其中一個系列產品的羅列，可能有的人覺得對于這種集成是小兒科的東西，我們看一下相對復雜的結構，比如現(xiàn)在相對很熱的應用是LLC，這是做 100瓦到1000瓦范圍內很高轉換效率的很熱門的技術，這個里面可以看到，其中DC/DC轉換里面包含的電路比較復雜，有控制器，有HVIC驅動，有 MOSFET 2顆，這些全都可以集成，集成成一顆IC，這顆大小跟大拇指一半差不多。可以看一下集成后的電路多么簡潔。因此，除了電機控制，開關電源的AC/DC轉換也是目前模塊的熱門應用領域，這個應用領域不只是飛兆一家，大家所熟知的安森美、NSP都有類似的產品，飛兆其中產品類別最齊全，涵蓋的功率范圍從1瓦到 500瓦，整個都可以集成在AC/DC模塊來實現(xiàn)的一個廠家。這是剛才講LLC模塊的內部框架圖這個框架圖就比剛才那個復雜得多，包括兩顆MOSFET。這是很簡潔的設計，這個剛才介紹過了，這是系統(tǒng)應用線路圖，每一個器件每一個零件都展現(xiàn)在上面。這是我今天的演講內容。飛兆從2007年開始我們公司的宗旨，拯救地球，同每一毫瓦做起，提供高能耗的解決方案。 |
發(fā)表于 2012-5-31 13:24:10
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