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張三嶺：本次演講介紹一下我們?cè)诠β蕬?yīng)用中對(duì)現(xiàn)有一些挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)方案。飛兆半導(dǎo)體，有朋友知道是歷史蠻悠久的半導(dǎo)體公司，以前號(hào)稱硅谷之根。在功率類的應(yīng)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(jié)合。我的題目是功率應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)，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(jì)數(shù)字，2010年全球電力消耗達(dá)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(gè)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(huì)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(chǎn)品生產(chǎn)基地，比如電視、洗衣機(jī)、冰箱等，都已經(jīng)是千萬級(jí)，穩(wěn)居世界第一。為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的能源消耗，世界各國，包括中國出臺(tái)了很多很多的限制性的或者鼓勵(lì)性的一些措施，提高能效。這是日本的能效標(biāo)識(shí)，這是歐盟的，這兩個(gè)大家聽得比較多，一個(gè)是電子產(chǎn)品上面的節(jié)能標(biāo)識(shí)，還有在白色家電上普遍采用的能效標(biāo)識(shí)，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(tái)的規(guī)定，比如PC機(jī)能耗比較節(jié)能，政府會(huì)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(jì)數(shù)字表示，全世界電力消耗51%是在各種各樣的驅(qū)動(dòng)，各種各樣的運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，51%，這是最大的一塊，包括電力機(jī)車、電梯，小到電梯門、自動(dòng)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(jī)、PC等等占到14%。這里面大頭是運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)換成節(jié)能燈，可以節(jié)能75%。單向交流電機(jī)改為控制變速的電機(jī)可以節(jié)能40%。然后感應(yīng)電機(jī)可以再節(jié)能5%。做好待機(jī)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(gè)是一個(gè)例子，我們以一個(gè)空調(diào)器為例，一個(gè)最傳統(tǒng)的我們稱為交流空調(diào)器或者定頻空調(diào)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(guān)電源本身的升級(jí)換代可以大幅度提升能源效率，照明，這是一個(gè)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(gòu)成越復(fù)雜，控制包括轉(zhuǎn)換的構(gòu)成越復(fù)雜，這就帶來一個(gè)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(jī)的驅(qū)動(dòng)，最傳統(tǒng)的交流電，然后做一個(gè)開關(guān)，控制單向交流電機(jī)的供電或者是關(guān)斷，定頻的空調(diào)就是這樣簡(jiǎn)單，只是增加了一個(gè)MCU，接收遙控器等等。壓縮機(jī)我們認(rèn)為就是一個(gè)電機(jī)。但是到了變頻空調(diào)就復(fù)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(gè)部分都有自己的挑戰(zhàn)。具體我們看一下，因?yàn)槭亲冾l，我們有一個(gè)從DC轉(zhuǎn)到AC的過程，所以高速開關(guān)一定會(huì)存在，EMI是很重要的單元，有了這個(gè)之后，后面還是AC，AC轉(zhuǎn)DC，你可以用PIC實(shí)現(xiàn)，也可以用整流槽實(shí)現(xiàn)，絕大部分以空調(diào)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(gè)電流取樣技術(shù)，也是一個(gè)重點(diǎn)。
電機(jī)本身也有效率，也有一個(gè)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(duì) DSP和MCU技術(shù)也是挑戰(zhàn)，總之，在這樣一個(gè)系統(tǒng)里面，雖然能達(dá)到高效率，但是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來說，挑戰(zhàn)處處都在。剛才那個(gè)是個(gè)圖，從框架結(jié)構(gòu)解釋了一下變頻電機(jī)系統(tǒng)所有的組成，這只是器件的分布和他們的組成關(guān)系，整流、PFC，PCF得到DC，這DSP或者M(jìn)CU，這部分要做AC轉(zhuǎn)DC的轉(zhuǎn)換器，DSP需要供電，因此在這個(gè)里面，大家可以看到，有兩個(gè)地方，我們用黃色的圈圈，圈起來，這是決定了整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能，有UVW三項(xiàng)的變，每一路都需要IGBT，還要有二極管，還要有驅(qū)動(dòng)電路，如果繼續(xù)展開，這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路還可以展開為若干個(gè)三極管，若干個(gè)被動(dòng)元件組成的電路，這樣一個(gè)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(xiàng)指標(biāo)得到優(yōu)化，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來說是蠻棘手的問題，他要考慮效率的問題，各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)如果速度太慢，速度不過高，EMI的問題，速度夠高，EMI又成了負(fù)的效果。功率密度的問題，這個(gè)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(duì)PFC比較棘手的范圍了，我們一般采用CCM，因此這部分對(duì)半導(dǎo)體廠商來說就產(chǎn)生了商機(jī)，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(gè)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(gè)樣子，也就是比4、5個(gè)硬幣大一點(diǎn)，如果是1500瓦以內(nèi)，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(jiǎn)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(shí)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(gè)，一共是18個(gè)，所以從數(shù)目上面，大大降低，使得你的生產(chǎn)效率和你的產(chǎn)出率，因?yàn)楹苤匾粋�(gè)問題，生產(chǎn)線上的成品率的問題。第二個(gè)，我們看一下保護(hù)電路，從線路的性能上面來考慮，比如這樣一個(gè)模塊必然有很多保護(hù)電路，我們稱為異常狀況情況下需要及時(shí)關(guān)機(jī)，同時(shí)還要向MCU報(bào)警，這些保護(hù)電路完全可以做，但是一致性、延遲、受外部干擾不保護(hù)，都是模塊所能優(yōu)化。第三個(gè)，設(shè)計(jì)的考量，比如說開關(guān)速度就是一種妥協(xié)，是系統(tǒng)效率、開關(guān)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?yàn)镋MI。對(duì)于模塊，也就是半導(dǎo)體廠商會(huì)進(jìn)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(chǎn)簡(jiǎn)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(gè)主要方面，一個(gè)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(gè)額定的功率，可以用多么小的體積實(shí)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(shè)計(jì)，開關(guān)速度，可以把PCB級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以變成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。第三是熱設(shè)計(jì)，怎么使半導(dǎo)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(shù)，比如DBC技術(shù)，它可以大幅度降低熱阻。因此，模塊不僅僅是簡(jiǎn)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(jiǎn)單，控制器、模塊、電極，解決掉了。
這是一個(gè)實(shí)例，空調(diào)器，帶PFC的空調(diào)器控制板，這是反面雙面板，這是開關(guān)電源，這只是125毫米乘96毫米，也就是半個(gè)巴掌大，一個(gè)空調(diào)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(jī)也是這樣。
剛才講了，運(yùn)動(dòng)占了51%的能耗，其他的都可以概括為開關(guān)電源，因此開關(guān)電源的控制器、變壓器這么一個(gè)基本構(gòu)架，但是光有基本構(gòu)架系統(tǒng)是無法工作，比如需要各種各樣的保護(hù)功能，比如你需要待機(jī)控制，比如你還需要特殊的工作模式，同步啊、轉(zhuǎn)諧振控制，以提高效率。同時(shí)還需要針對(duì)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(duì)一個(gè)LCD-TV的開關(guān)電源，設(shè)計(jì)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(hù)全部集中起來，做在一個(gè)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(gè)控制器，這是開關(guān)電源，核心的東西，我們可以看到很多保護(hù)電路和增加低待機(jī)功耗，這個(gè)解決EMI，這個(gè)解決變壓器高壓?jiǎn)?dòng)，以降低待機(jī)功耗以實(shí)現(xiàn)外部電流調(diào)整來控制輸出功率，這些蠻先進(jìn)的功能都可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)模塊里面，這是模塊所呈現(xiàn)的模樣。在這樣一個(gè)系統(tǒng)里面，結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，同樣它的性能還可以得到優(yōu)化，比如我們可以讓啟動(dòng)的時(shí)候它的電流是逐漸增加的，各個(gè)周期逐漸展開.
比如說過載保護(hù)，可以設(shè)定出一個(gè)極限，在什么樣的情況下，什么樣的時(shí)間里面發(fā)生異常多長時(shí)間進(jìn)行保護(hù)，這些都是可以很方便的實(shí)現(xiàn)，這是各種各樣的保護(hù)，過載保護(hù)、過流保護(hù)。這是其中一個(gè)系列產(chǎn)品的羅列，可能有的人覺得對(duì)于這種集成是小兒科的東西，我們看一下相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如現(xiàn)在相對(duì)很熱的應(yīng)用是LLC，這是做 100瓦到1000瓦范圍內(nèi)很高轉(zhuǎn)換效率的很熱門的技術(shù)，這個(gè)里面可以看到，其中DC/DC轉(zhuǎn)換里面包含的電路比較復(fù)雜，有控制器，有HVIC驅(qū)動(dòng)，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(jiǎn)潔。因此，除了電機(jī)控制，開關(guān)電源的AC/DC轉(zhuǎn)換也是目前模塊的熱門應(yīng)用領(lǐng)域，這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域不只是飛兆一家，大家所熟知的安森美、NSP都有類似的產(chǎn)品，飛兆其中產(chǎn)品類別最齊全，涵蓋的功率范圍從1瓦到 500瓦，整個(gè)都可以集成在AC/DC模塊來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)廠家。這是剛才講LLC模塊的內(nèi)部框架圖這個(gè)框架圖就比剛才那個(gè)復(fù)雜得多，包括兩顆MOSFET。這是很簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，這個(gè)剛才介紹過了，這是系統(tǒng)應(yīng)用線路圖，每一個(gè)器件每一個(gè)零件都展現(xiàn)在上面。這是我今天的演講內(nèi)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。 |
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發(fā)表于 2012-5-31 13:24:10
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