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    • 半導(dǎo)體設(shè)計面臨高電壓挑戰(zhàn)
    • 安森美 (onsemi) 能夠滿足對更高電壓的需求
    • EliteSiC助力打造高效的電力電子設(shè)計
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高壓功率器件設(shè)計挑戰(zhàn)如何破?

03/01 10:40
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不斷提升能效的需求影響著汽車和可再生能源等多個領(lǐng)域的電子應(yīng)用設(shè)計。對于電動汽車 (EV) 而言,更高效率意味著更遠的續(xù)航里程;而在可再生能源領(lǐng)域,發(fā)電效率更高代表著能夠更充分地將太陽能或風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。

圖1.在電動汽車和可再生能源領(lǐng)域,對更高效率的不懈追求正推動著設(shè)計向前發(fā)展

這兩大領(lǐng)域都廣泛采用開關(guān)電子器件,因而又催生了更高電壓器件的需求。電壓和效率之間的關(guān)系遵循歐姆定律,也就是說電路中產(chǎn)生的功耗或損耗與電流的平方成正比。同理,當電壓加倍時,電路中的電流會減半,因而損耗會降到四分之一。根據(jù)這個原理,為了減少傳輸損耗,電力公司通常使用超高電壓來輸送電力,比如英國的電網(wǎng)電壓常為275,000伏或400,000伏。

電力公司依賴重型變壓器等設(shè)備來處理高傳輸電壓,而汽車和可再生能源領(lǐng)域的情況要更復(fù)雜一些,因為相關(guān)應(yīng)用中通常涉及大量電子設(shè)備。

半導(dǎo)體設(shè)計面臨高電壓挑戰(zhàn)

基于開關(guān)電力電子器件轉(zhuǎn)換器逆變器是可再生能源發(fā)電廠和電動汽車的關(guān)鍵組件。雖然MOSFETIGBT都可以用在相關(guān)系統(tǒng)中,但前者的柵極驅(qū)動功率較低、開關(guān)速度更佳且在低電壓下效率更高,所以MOSFET占據(jù)了市場主導(dǎo)地位,并廣泛用于各類電力電子應(yīng)用。

功率MOSFET主要有三個作用,即阻斷、開關(guān)和導(dǎo)通(如圖2所示),因此該器件必須滿足每個階段的要求。

圖2.在開關(guān)階段,MOSFET需要能夠切斷漏極和源極之間的大電壓;

在阻斷階段,MOSFET要能完全承受應(yīng)用的額定電壓;而在導(dǎo)通和開關(guān)階段,又必須滿足對電路損耗和開關(guān)頻率的要求。導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都會影響整體效率,更高的開關(guān)頻率有利于搭建更小更輕的系統(tǒng),而尺寸和重量恰好是電動汽車和工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵屬性。

追求更高電壓的趨勢正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)硅MOSFET的極限,并且實現(xiàn)低導(dǎo)通損耗和快速開關(guān)時間所需的低RDS(on)和高柵極電荷值也越來越困難,同時成本也在不斷攀升。因此,電力電子設(shè)計人員轉(zhuǎn)而借助碳化硅(SiC)來實現(xiàn)更高的效率。SiC是一種寬禁帶材料,與硅相比具有多項優(yōu)勢,包括熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低和最大電流密度更高等,因此在導(dǎo)電性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)異。此外,SiC的臨界擊穿場強更高,也就是說較薄的器件就能夠滿足額定電壓的需求,從而能夠大幅縮小器件尺寸。

目前SiC MOSFET能夠承受近10kV的超高電壓閾值,而硅MOSFET能夠承受的電壓閾值僅為1.5kV。此外,SiC器件的開關(guān)損耗較低、工作頻率較高,因此能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)異的效率,尤其適合用于工作溫度較高、熱導(dǎo)率要求高的大電流、高功率應(yīng)用。

安森美 (onsemi) 能夠滿足對更高電壓的需求

為了滿足對高擊穿電壓器件日益增長的市場需求,安森美構(gòu)建了內(nèi)部端到端SiC制造能力,能夠制造SiC二極管、SiC MOSFET和SiC模塊等一系列產(chǎn)品。

相關(guān)產(chǎn)品系列包括NTBG028N170M1,這是一款擊穿電壓較高的SiC MOSFET,如圖3所示。這款N溝道平面器件針對高電壓下的快速開關(guān)應(yīng)用進行了優(yōu)化,VDSS為1700V,擴展VGS為-15/+25V。

圖3.安森美的NTBG028N170M1

NTBG028N170M1支持高達71A的連續(xù)漏極電流(ID)和高達195A的脈沖漏極電流,且其 RDS(ON) 典型值僅為28mΩ,有助于減少導(dǎo)通損耗。另外,該器件的柵極電荷 (QG(tot)) 非常低,僅為222nC,可確保進一步降低高頻工作期間的損耗,此外器件采用D2PAK–7L表面貼裝,可以減小工作期間的寄生效應(yīng)。

安森美EliteSiC系列還包括一系列額定電壓為1700V的SiC肖特基二極管,這些二極管可在整流器等電力電子系統(tǒng)中與MOSFET搭配使用。這些二極管具有較高的最大反向重復(fù)峰值電壓 (VRRM)、較低的正向峰值電壓 (VFM) 和出色的反向漏電流,使設(shè)計工程師能夠在高溫環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的高電壓運行。

EliteSiC助力打造高效的電力電子設(shè)計

在依賴電力電子設(shè)備的應(yīng)用中,對更高效率的探索從未停歇。隨著系統(tǒng)電壓的不斷提高,傳統(tǒng)的Si-MOSFET無法適應(yīng)未來需求。SiC器件為相關(guān)設(shè)計人員指明了新方向,使其能夠在提高效率的同時,縮小器件尺寸,滿足更嚴格的應(yīng)用要求。安森美的1700V NTBG028N170M1能夠幫助工程師在關(guān)鍵電力電子系統(tǒng)中實現(xiàn)更高電壓的設(shè)計。

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安森美

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歷史安森美半導(dǎo)體前身是摩托羅拉集團的半導(dǎo)體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產(chǎn)摩托羅拉的分立晶體管,標準模擬和標準邏輯等器件。并購紀錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設(shè)計和制造設(shè)施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機的子公司三洋半導(dǎo)體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導(dǎo)體和富士通半導(dǎo)體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務(wù)協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權(quán)益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導(dǎo)體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導(dǎo)體公司。2016年八月,安森美半導(dǎo)體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務(wù)給 Littelfuse 達成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關(guān)型晶閘管產(chǎn)品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導(dǎo)體完成收購飛兆半導(dǎo)體公司。產(chǎn)品安森美半導(dǎo)體制造以下的各種產(chǎn)品:定制:ASIC;定制代工服務(wù);定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調(diào)諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅(qū)動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產(chǎn)生;時鐘及數(shù)據(jù)分配;存儲器;微控制器;標準邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關(guān);音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產(chǎn)品部安森美半導(dǎo)體的各個產(chǎn)品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經(jīng)理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設(shè)計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達荷州波卡特洛、愛達荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社

歷史安森美半導(dǎo)體前身是摩托羅拉集團的半導(dǎo)體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產(chǎn)摩托羅拉的分立晶體管,標準模擬和標準邏輯等器件。并購紀錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設(shè)計和制造設(shè)施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機的子公司三洋半導(dǎo)體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導(dǎo)體和富士通半導(dǎo)體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務(wù)協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權(quán)益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導(dǎo)體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導(dǎo)體公司。2016年八月,安森美半導(dǎo)體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務(wù)給 Littelfuse 達成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關(guān)型晶閘管產(chǎn)品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導(dǎo)體完成收購飛兆半導(dǎo)體公司。產(chǎn)品安森美半導(dǎo)體制造以下的各種產(chǎn)品:定制:ASIC;定制代工服務(wù);定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調(diào)諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅(qū)動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產(chǎn)生;時鐘及數(shù)據(jù)分配;存儲器;微控制器;標準邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關(guān);音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產(chǎn)品部安森美半導(dǎo)體的各個產(chǎn)品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經(jīng)理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設(shè)計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達荷州波卡特洛、愛達荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社收起

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