功率应用中的挑战和应对——集成化的功率模块

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张三岭：本次演讲介绍一下我们在功率应用中对现有一些挑战的应对方案。飞兆半导体，有朋友知道是历史蛮悠久的半导体公司，以前号称硅谷之根。在功率类的应用里面，包括功率分离器件、功率模拟器件，今天介绍的模块，是模拟器件、分立器件、封装器件的结合。我的题目是功率应用中的挑战和应对，集成化的功率模块。
   
首先大家可以看到能源效率是日趋重要，EIA的统计数字，2010年全球电力消耗达到4200亿度，中国是全球第二大能耗地，仅次于美国。具体到中国的状况，这里有一个很重要的数字，在中国电耗的增加速度快过GDP的增加数字，这是非常不好的现象，会阻碍中国可持续发展的问题。电力的消耗增长速度超过 GDP增长速度。到2006年，中国已经是最大的电子产品生产基地，比如电视、洗衣机、冰箱等，都已经是千万级，稳居世界第一。为了应对日趋严重的能源消耗，世界各国，包括中国出台了很多很多的限制性的或者鼓励性的一些措施，提高能效。这是日本的能效标识，这是欧盟的，这两个大家听得比较多，一个是电子产品上面的节能标识，还有在白色家电上普遍采用的能效标识，大家很容易看到要买比较绿的，比较节能。下面是铜牌、银牌、金牌，最近听说还有白金牌，这些都是美国政府所出台的规定，比如PC机能耗比较节能，政府会有津贴，这就说明能源的消耗已经是全球性的问题。

我们可以看一下能源消耗在什么位置，从该研讨会主办方电子元件技术网（[url=]http://www.cntronics.com[/url]）和 我爱方案网（[url=]http://www.52solution.com[/url]）统计数字表示，全世界电力消耗51%是在各种各样的驱动，各种各样的运动控制、运动驱动，51%，这是最大的一块，包括电力机车、电梯，小到电梯门、自动窗等等。照明19%，还有制热和制冷占16%，普遍可以看到的IT，包括通讯、手机、PC等等占到14%。这里面大头是运动和照明。在这里面才是具体用电单元的消耗。看一下节能的潜力有多大，从白炽灯泡转换成节能灯，可以节能75%。单向交流电机改为控制变速的电机可以节能40%。然后感应电机可以再节能5%。做好待机功耗，比如小于1瓦或者小于0.1瓦的功耗，可以把家庭用电降低5%到10%，底下这部分，这个是一个例子，我们以一个空调器为例，一个最传统的我们称为交流空调器或者定频空调器，它的耗电是100%，如果采用AC耗电的话可以降到80%，如果采用 DC直流可以降到60%。开关电源本身的升级换代可以大幅度提升能源效率，照明，这是一个CFL，更热的是LED，节能效益是很显著的。
但是问题是越是节能的系统，它的系统构成越复杂，控制包括转换的构成越复杂，这就带来一个挑战，就是今天我们要讨论的，比如说电力消耗最大的一块是电机的驱动，最传统的交流电，然后做一个开关，控制单向交流电机的供电或者是关断，定频的空调就是这样简单，只是增加了一个MCU，接收遥控器等等。压缩机我们认为就是一个电机。但是到了变频空调就复杂了很多，有EMI的处理单元，有整流单元，得到了DC，然后DC还要兵分两路，一路给变频器使用，另一路给控制板使用，各个部分都有自己的挑战。具体我们看一下，因为是变频，我们有一个从DC转到AC的过程，所以高速开关一定会存在，EMI是很重要的单元，有了这个之后，后面还是AC，AC转DC，你可以用PIC实现，也可以用整流槽实现，绝大部分以空调为例，都是PIC的。它这里要解决的是谐波失真，要符合规范，效率值要够高。它这部分也要考虑EMI，到了INVERTER部分，它有它的效率，它的方法、控制单元都有它的效率。再一个电流取样技术，也是一个重点。
自动粘贴原文来自 [url=]新型节能研讨会[/url] ： [url=]http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/45/sid/6[/url]
电机本身也有效率，也有一个工作范围效率的考量，控制器，目前常见的有DSP的、MCU的，它也要处理无传感器的算法，以及无电流采样的算法，对 DSP和MCU技术也是挑战，总之，在这样一个系统里面，虽然能达到高效率，但是在技术实现角度来说，挑战处处都在。刚才那个是个图，从框架结构解释了一下变频电机系统所有的组成，这只是器件的分布和他们的组成关系，整流、PFC，PCF得到DC，这DSP或者MCU，这部分要做AC转DC的转换器，DSP需要供电，因此在这个里面，大家可以看到，有两个地方，我们用黄色的圈圈，圈起来，这是决定了整个系统的效率和性能，有UVW三项的变，每一路都需要IGBT，还要有二极管，还要有驱动电路，如果继续展开，这个驱动电路还可以展开为若干个三极管，若干个被动元件组成的电路，这样一个系统做一定能做得出来，但是能不能性能很稳定，能不能效率很高，能不能各项指标得到优化，这对系统设计工程师来说是蛮棘手的问题，他要考虑效率的问题，各项驱动如果速度太慢，速度不过高，EMI的问题，速度够高，EMI又成了负的效果。功率密度的问题，这个TCE你能做多大，做得太大系统很容易受到干扰，做得太小，热的处理很难解决。

PFC部分也是很难解决的，比如2000瓦到3000瓦，这是对PFC比较棘手的范围了，我们一般采用CCM，因此这部分对半导体厂商来说就产生了商机，我们用模块化的解决方案来处理它。将PFC部分集成化，做模块，这只是两个例子。这是模块具体长的样子，基本上现在市面上2000瓦到3000瓦大概是这个样子，也就是比4、5个硬币大一点，如果是1500瓦以内，可以采用这样的封装，也是大概火柴盒大小。因此模块化的方案，首先很简洁，我们看一下它具体解决了哪些问题。这部分，大家看到的是IGBT，实际上这里面集成了二极管，这里面本身是二合一的封装，这是6乘2，12个，一共是18个，所以从数目上面，大大降低，使得你的生产效率和你的产出率，因为很重要一个问题，生产线上的成品率的问题。第二个，我们看一下保护电路，从线路的性能上面来考虑，比如这样一个模块必然有很多保护电路，我们称为异常状况情况下需要及时关机，同时还要向MCU报警，这些保护电路完全可以做，但是一致性、延迟、受外部干扰不保护，都是模块所能优化。第三个，设计的考量，比如说开关速度就是一种妥协，是系统效率、开关管的效率和EMI的妥协，我们希望越快越好，但是我们也希望越慢越好，因为EMI。针对不同的应用在电子元件技术网的 元器件知识库 （ http://www.cntronics.com/public/baike ）下都有详细的介绍，对于模块，也就是半导体厂商会进行系统优化，匹配出合适的速度。
   
刚才讲了可以降低器件数目，可以生产简单，等等，更重要的是可以改善性能，从功率模块的角度来讲，改善性能三个主要方面，一个是功率密度，所谓功率密度，你可以用多么小的东西做出多么大的功率，一个额定的功率，可以用多么小的体积实现，毫无疑问模块说话就小。第二，EMI，刚才讲过EMI是要去优化、设计，开关速度，可以把PCB级的结构设计可以变成半导体结构的设计。第三是热设计，怎么使半导体发生的热散到空气中去，所以我们可以采用最新的基板技术，比如DBC技术，它可以大幅度降低热阻。因此，模块不仅仅是简单的组装，而是一种系统性能的优化。看一下集成之后的系统变得很简单，控制器、模块、电极，解决掉了。
这是一个实例，空调器，带PFC的空调器控制板，这是反面双面板，这是开关电源，这只是125毫米乘96毫米，也就是半个巴掌大，一个空调控制板就完成了，类似这样的模块，已经广泛在白色家电里面采用。电冰箱还有少量的分立器件，洗衣机也是这样。
刚才讲了，运动占了51%的能耗，其他的都可以概括为开关电源，因此开关电源的控制器、变压器这么一个基本构架，但是光有基本构架系统是无法工作，比如需要各种各样的保护功能，比如你需要待机控制，比如你还需要特殊的工作模式，同步啊、转谐振控制，以提高效率。同时还需要针对EMI的特性等等，这些都可以通过模块化方案来解决，比如我们针对一个LCD-TV的开关电源，设计出一种模块化电源，把该有的性能全部集中。我们看到把取样、保护全部集中起来，做在一个封装里面，周边的器件和新增加的功能全部一颗解决，这是一个控制器，这是开关电源，核心的东西，我们可以看到很多保护电路和增加低待机功耗，这个解决EMI，这个解决变压器高压启动，以降低待机功耗以实现外部电流调整来控制输出功率，这些蛮先进的功能都可以实现在一个模块里面，这是模块所呈现的模样。在这样一个系统里面，结构得到了简化，同样它的性能还可以得到优化，比如我们可以让启动的时候它的电流是逐渐增加的，各个周期逐渐展开.如爱电子展网（http://www.xfdzz.net）则在2013年4月份展开！

比如说过载保护，可以设定出一个极限，在什么样的情况下，什么样的时间里面发生异常多长时间进行保护，这些都是可以很方便的实现，这是各种各样的保护，过载保护、过流保护。这是其中一个系列产品的罗列，可能有的人觉得对于这种集成是小儿科的东西，我们看一下相对复杂的结构，比如现在相对很热的应用是LLC，这是做 100瓦到1000瓦范围内很高转换效率的很热门的技术，这个里面可以看到，其中DC/DC转换里面包含的电路比较复杂，有控制器，有HVIC驱动，有 MOSFET 2颗，这些全都可以集成，集成成一颗IC，这颗大小跟大拇指一半差不多。可以看一下集成后的电路多么简洁。因此，除了电机控制，开关电源的AC/DC转换也是目前模块的热门应用领域，这个应用领域不只是飞兆一家，大家所熟知的安森美、NSP都有类似的产品，飞兆其中产品类别最齐全，涵盖的功率范围从1瓦到 500瓦，整个都可以集成在AC/DC模块来实现的一个厂家。这是刚才讲LLC模块的内部框架图这个框架图就比刚才那个复杂得多，包括两颗MOSFET。这是很简洁的设计，这个刚才介绍过了，这是系统应用线路图，每一个器件每一个零件都展现在上面。这是我今天的演讲内容。飞兆从2007年开始我们公司的宗旨，拯救地球，同每一毫瓦做起，提供高能耗的解决方案。