作者：Maurizio Di Paolo Emilio

近年來，電力電子半導體市場迅速增長，這主要歸功于用于電動/混合動力汽車（EV / HEV）和電機驅(qū)動器的IGBT器件的銷售增長。MOSFET的需求由汽車電氣，網(wǎng)絡和電信市場驅(qū)動，由于5G網(wǎng)絡的普及，未來三年的復合年增長率為8.3％。除了對效率的要求越來越嚴格之外，EV / HEV細分市場在技術上還受到CO2減排目標的驅(qū)動。工業(yè)領域中新動力系統(tǒng)，電動機和相對控制的開發(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頻率下工作。

Maxim Integrated首席技術官Dave Dwelley表示：“我們可以看到市場顯然分為三個部分。”這些細分市場中的每一個都適合不同的半導體材料。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)勢或其他技術問題。

Maxim Integrated首席技術官Dave Dwelley

氮化鎵是一個很好的例子，其中實際的內(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體卻不如硅。

在非常低的電壓下，這些導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，我們認為GaN被證明是更好的選擇，因為在該區(qū)域中，寄生效應不會受到太大影響，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，高達數(shù)千伏特的電壓下，碳化硅有一個很好的故事可講。”

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

在電機控制和電力控制應用中使用SiC器件目前代表著創(chuàng)新的現(xiàn)實時刻，尤其是在汽車和工業(yè)自動化控制領域。

電動機控制IC還有助于執(zhí)行各種操作，例如選擇電動機的正向或反向旋轉(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，創(chuàng)新和技術進步的迅速變化，到2022年，汽車和運輸行業(yè)應在伺服電機和驅(qū)動器的數(shù)量和價值方面占據(jù)最大的市場份額。伺服驅(qū)動器，控制器和電動機在全球范圍內(nèi)也有很高的需求，因為它們可以幫助公司提高生產(chǎn)效率。當前的電動機控制技術涉及使用微電子設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全橋直流電動機驅(qū)動器[來源：Maxim Integrated]

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

“檢測失速或過載情況，或在不使電動機過熱的情況下扭曲電機的每一盎司性能，而不會造成電氣損壞，這些都是我們結(jié)合使用電動機控制動力總成和一些智能來監(jiān)視電動機的領域。這樣可以確保電動機表現(xiàn)出應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電路或電動機。”

電源設計人員，電池管理系統(tǒng)和電動驅(qū)動器經(jīng)常面臨準確測量電流的需求。電流測量是電力電子設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是閉環(huán)霍爾效應或閉環(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。“不同的電動機和不同的策略需要不同的傳感器。電流感應使控制器可以更好地選擇如何處理電動機，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產(chǎn)品，并且隨著我們構(gòu)建越來越復雜的電機控制設備，該功能將內(nèi)置于電機驅(qū)動器中。您將看到越來越多的類似產(chǎn)品。”

任何霍爾效應檢測設備的設計都需要能夠響應通過電子輸入接口檢測到的物理參數(shù)的磁性系統(tǒng)。霍爾效應傳感器檢測磁場，并根據(jù)電子系統(tǒng)的要求產(chǎn)生適當轉(zhuǎn)換為標準的模擬或數(shù)字信號（圖2）。

電機控制活動是許多工業(yè)領域的一部分，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，即電動牽引電機。那個牽引電機需要兩件事。它需要電動機控制器，并且需要電池管理系統(tǒng)。”在許多市場中，能效和電機控制是整個系統(tǒng)正常運行的兩個要素或挑戰(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

當涉及電動汽車時，也許我們可以考慮收集能量。回收車輛在運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。強烈的動機支持對電動汽車的肯定：首先，一個與環(huán)境相容性有關，其次，但次要的是與功能簡單性和能源效率有關的重要性。

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

“能量收集是一個有趣的領域。通常，它在電子空間中具有巨大的應用，但是在車輛中，它更多地是轉(zhuǎn)角用例，因為當車輛行駛時，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，因為牽引電動機消耗了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緊要，因為這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的應用特別普及的過程中發(fā)揮關鍵作用，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收集能量，還要在這些時間之間存儲能量，然后在能量存儲最終用完時向系統(tǒng)發(fā)出信號，以便當能量恢復時，它可以優(yōu)雅地喚醒。”

電源管理IC

PMIC旨在提供許多好處，包括比標準解決方案節(jié)省40％的能量，從而在延長電池壽命的同時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有關的復雜電流要求。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用中工作。PMIC在單個設備中結(jié)合了多種電源和安全功能，以減少設計時間和電路板空間。

編輯：hfy