技術(shù)進(jìn)步與人力成本上升共同推動(dòng)了工業(yè)制造升級(jí)，制造業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)都制訂了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，例如“中國(guó)制造2025”、“工業(yè)4.0”及“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。
在工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化、智能化過(guò)程中，我們也不應(yīng)該遺忘真正“驅(qū)動(dòng)”工業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體元器件，尤其是功率器件。如今，功率器件被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中，用來(lái)控制、轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓電流，從MOSFET、IGBT，到新興的碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件，不同類型的功率器件滿足了不同工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的需要。
工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率器件的要求
面向工業(yè)設(shè)備的功率器件使用條件比較苛刻，有的應(yīng)用需要24小時(shí)365天無(wú)間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。瑞薩電子大中國(guó)區(qū)汽車電子業(yè)務(wù)中心部門專家落合康彥指出，設(shè)計(jì)與研發(fā)功率器件時(shí)，必須考慮兩點(diǎn)。“一個(gè)是損耗特性，由于無(wú)間斷運(yùn)轉(zhuǎn)需求，如何減少器件所產(chǎn)生的損耗對(duì)工廠電費(fèi)有直接影響。而且不同應(yīng)用需要不同的開(kāi)關(guān)頻率，工程師需要按照實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率要求，決定有限考慮的是導(dǎo)通損耗還是開(kāi)關(guān)損耗，然后決定*的選擇;第二是可靠性，特別是無(wú)人工廠，器件故障會(huì)直接影響到工廠運(yùn)作造成損失，所以器件耐受性也是需要優(yōu)先考慮。”
“工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線對(duì)功率器件有的依賴，這些設(shè)備通過(guò)功率器件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，功能動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)也是通過(guò)控制功率器件來(lái)完成。”力特公司(Litfuse)技術(shù)應(yīng)用杜堯生認(rèn)為，現(xiàn)在對(duì)功率器件的要求越來(lái)越高，率、低功耗、小尺寸，以及容易控制和方便應(yīng)用，都是工業(yè)應(yīng)用對(duì)功率器件的要求。
“應(yīng)用于工業(yè)的功率器件必須可靠、、緊湊，能夠耐受拋負(fù)載，而且能在寬輸入電壓范圍保持輸出穩(wěn)定，”安森美半導(dǎo)體應(yīng)用工程Jon Gladish則這樣表示，“此外，電源轉(zhuǎn)換的損耗要小，能夠在較寬的溫度范圍工作。”
大功率器件
大功率器件主要用于工業(yè)應(yīng)用，相比小功率器件，高電壓、大電流的大功率器件在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中需要考慮的因素更多。
“大電流高電壓的產(chǎn)品都要考慮應(yīng)力設(shè)計(jì)問(wèn)題，而且大功率器件通常不是一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)器件，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分注意導(dǎo)通損耗、電壓變化率(du/dt)、電流變化率(di/dt)等問(wèn)題，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間也需要考慮。”力特杜堯生表示，功率器件電壓設(shè)定也很重要，現(xiàn)在cool MOS電壓到1200V已經(jīng)接近極限，1700V和3300V只能采用IGBT，但力特的碳化硅(SiC)MOSFET卻非常容易實(shí)現(xiàn)1200V和1700V的zui低電壓設(shè)計(jì)。
當(dāng)然碳化硅MOSFET門極驅(qū)動(dòng)是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因?yàn)樘蓟杵骷旧頁(yè)p耗小，開(kāi)關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)到500KHz級(jí)別，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)非常快，除了電源絕緣，還要做好信號(hào)的絕緣隔離處理。高頻信號(hào)也帶來(lái)了電磁干擾問(wèn)題，“抗干擾和抑制干擾都會(huì)變得頭痛，工程師必須面對(duì)EMI問(wèn)題，否則就會(huì)誤觸發(fā)引起器件失控。電路板的高頻優(yōu)化和多點(diǎn)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)也變成難點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要進(jìn)行時(shí)域分析，又要進(jìn)行頻域分析。”
安森美半導(dǎo)體Jon Gladish強(qiáng)調(diào)安全始終是功率器件應(yīng)用的主要考慮因素，尤其是高電壓、大電流的大功率器件。“UL認(rèn)為，高于60V的電壓接觸到人體，將造成傷害，甚至?xí)?dǎo)致死亡，所以大功率器件在應(yīng)用時(shí)，必須要充分考慮安全設(shè)計(jì)，滿足爬電距離和電氣間隙要求是高壓器件應(yīng)用安全的首要條件。”高壓引腳周圍的灰塵和異物也存在危害，功能缺陷更要注意排查。
由于大功率器件在工作中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，所以也需要特別注意其散熱設(shè)計(jì)，盡可能減少由熱膨脹失配引起的機(jī)械應(yīng)力，以免發(fā)生危險(xiǎn)。對(duì)如何進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，Jon Gladish提到幾點(diǎn)：符合規(guī)范的PCB布局布線(PCB線的寬度、厚度和直徑等因素都要考慮)，優(yōu)良的散熱架構(gòu)，選擇熱阻更小的封裝材料等。
瑞薩電子落合康顏表示，高壓大電流應(yīng)用中，往往不是單個(gè)芯片來(lái)承擔(dān)大電流，對(duì)于兩個(gè)或多個(gè)芯片并聯(lián)使用場(chǎng)景，zui重要的是控制多個(gè)芯片之間的特性偏差。“芯片特性偏差產(chǎn)生電流偏差，電流集中的芯片將會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱甚至損毀的狀況，所以控制器件制造工藝偏差非常關(guān)鍵。”
常見(jiàn)失效模式
功率器件失效往往會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的后果。尤其在不間斷電源、太陽(yáng)能逆變器、電信和充電樁等工業(yè)應(yīng)用中，如果功率器件在設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，將可能導(dǎo)致多種二次故障，例如熔化、起火或者爆炸。“所以通常情況，工業(yè)系統(tǒng)有過(guò)壓保護(hù)(OVP)金額過(guò)流保護(hù)(OCP)等故障檢測(cè)功能，”Jon Gladish表示，依靠故障檢測(cè)功能，出現(xiàn)功率器件失效情況時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)切斷供電，從而避免二次故障。
Jon Gladish總結(jié)了5種常見(jiàn)的功率器件失效模式：雪崩擊穿;靜電放電(ESD)或門極浪涌;體二極管反向恢復(fù)電流過(guò)大。可能會(huì)觸發(fā)寄生BJT;*工作在線性區(qū)，由于電流過(guò)大而導(dǎo)致的熱失控;裝配不當(dāng)造成的封裝損害。
落合康顏認(rèn)為，根據(jù)瑞薩電子的統(tǒng)計(jì)，客戶的失效問(wèn)題90%以上是由于過(guò)電壓或過(guò)電流造成的損壞，特別是IGBT和MOSFET等開(kāi)關(guān)器件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中發(fā)生的失效極多。“為防止此類失效，采用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)條件，并盡力抑制PCB寄生電感。”
“器件zui常見(jiàn)的失效就電壓擊穿，短路燒毀，所以器件抗浪涌的能力必須強(qiáng)，抗沖擊能力必須強(qiáng)。另外耐受電壓的能力也要高。短路失效使我們zui頭疼的問(wèn)題，因?yàn)槠骷搪穼?duì)電源的沙勝利zui大，可能會(huì)把整個(gè)電路板燒毀，甚至引起火災(zāi)。”杜堯生舉了一個(gè)例子，工廠里運(yùn)行的變頻器通常是六個(gè)橋臂順序工作，如果因?yàn)槠骷бl(fā)上下橋短路，沒(méi)有保護(hù)的管子就會(huì)炸掉。“功率器件的短路保護(hù)是非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)板都會(huì)設(shè)定短路保護(hù)的時(shí)間，功率器件也會(huì)有zui大短路電流標(biāo)稱。”
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