工業數字化的依賴 誰在“驅動”工業4.0

　　技術進步與人力成本上升共同推動了工業制造升級，全球制造業發達地區都制訂了相應的發展規劃，例如“中國制造2025”、“工業4.0”及“工業互聯網”。

　　在工業生產數字化、智能化過程中，我們也不應該遺忘真正“驅動”工業設備運轉的半導體元器件，尤其是功率器件。如今，功率器件被廣泛應用于各種工業設備中，用來控制、轉換與調節系統的電壓電流，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應用環境的需要。

　　工業應用對功率器件的要求

　　面向工業設備的功率器件使用條件比較苛刻，有的應用需要24小時365天無間斷運轉。瑞薩電子大中國區汽車電子業務中心高級部門專家落合康彥指出，設計與研發功率器件時，必須考慮兩點。“一個是損耗特性，由于無間斷運轉需求，如何減少器件所產生的損耗對工廠電費有直接影響。而且不同應用需要不同的開關頻率，工程師需要按照實際開關頻率要求，決定有限考慮的是導通損耗還是開關損耗，然后決定最佳的選擇；第二是可靠性，特別是無人工廠，器件故障會直接影響到工廠運作造成損失，所以器件耐受性也是需要優先考慮。”

　　“工業設備和自動化產線對功率器件有絕對的依賴，這些設備通過功率器件實現能量轉換，功能動作的實現也是通過控制功率器件來完成。”力特公司（Littelfuse）技術應用經理杜堯生認為，現在對功率器件的要求越來越高，高效率、低功耗、小尺寸，以及容易控制和方便應用，都是工業應用對功率器件的要求。

　　“應用于工業的功率器件必須可靠、高效、緊湊，能夠耐受拋負載，而且能在寬輸入電壓范圍保持輸出穩定，”安森美半導體應用工程經理Jon Gladish則這樣表示，“此外，電源轉換的損耗要小，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應用，相比小功率器件，高電壓、大電流的大功率器件在設計開發和應用中需要考慮的因素更多。

　　“大電流高電壓的產品都要考慮應力設計問題，而且大功率器件通常不是一個理想的開關器件，所以在設計時需要充分注意導通損耗、電壓變化率（du/dt）、電流變化率(di/dt）等問題，二極管的反向恢復時間也需要考慮。”力特杜堯生表示，功率器件電壓設定也很重要，現在cool MOS電壓到1200V已經接近極限，1700V和3300V只能采用IGBT，但力特的碳化硅（SiC）MOSFET卻非常容易實現1200V和1700V的最低電壓設計。

　　當然碳化硅MOSFET門極驅動是一個設計難點，因為碳化硅器件本身損耗小，開關頻率可以設計到500KHz級別，所以驅動信號會非常快，除了電源絕緣，還要做好信號的絕緣隔離處理。高頻信號也帶來了電磁干擾問題，“抗干擾和抑制干擾都會變得頭痛，工程師必須面對EMI問題，否則就會誤觸發引起器件失控。電路板的高頻優化和多點接地系統設計也變成難點，系統設計既要進行時域分析，又要進行頻域分析。”

　　安森美半導體Jon Gladish強調安全始終是功率器件應用的主要考慮因素，尤其是高電壓、大電流的大功率器件。“UL認為，高于60V的電壓接觸到人體，將造成傷害，甚至會導致死亡，所以大功率器件在應用時，必須要充分考慮安全設計，滿足爬電距離和電氣間隙要求是高壓器件應用安全的首要條件。”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產生大量的熱，所以也需要特別注意其散熱設計，盡可能減少由熱膨脹失配引起的機械應力，以免發生危險。對如何進行散熱設計，Jon Gladish提到幾點：符合規范的PCB布局布線（PCB線的寬度、厚度和直徑等因素都要考慮），優良的散熱架構，選擇熱阻更小的封裝材料等。

　　瑞薩電子落合康顏表示，高壓大電流應用中，往往不是單個芯片來承擔大電流，對于兩個或多個芯片并聯使用場景，最重要的是控制多個芯片之間的特性偏差。“芯片特性偏差產生電流偏差，電流集中的芯片將會出現過熱甚至損毀的狀況，所以控制器件制造工藝偏差非常關鍵。”

　　常見失效模式

　　功率器件失效往往會帶來比較嚴重的后果。尤其在不間斷電源、太陽能逆變器、電信和充電樁等工業應用中，如果功率器件在設備運行時出現故障，將可能導致多種二次故障，例如熔化、起火或者爆炸。“所以通常情況，工業系統有過壓保護（OVP）金?過流保護（OCP）等故障檢測功能，”Jon Gladish表示，依靠故障檢測功能，出現功率器件失效情況時，系統可以及時切斷供電，從而避免二次故障。

　　Jon Gladish總結了5種常見的功率器件失效模式：雪崩擊穿；靜電放電（ESD）或門極浪涌；體二極管反向恢復電流過大。可能會觸發寄生BJT；長期工作在線性區，由于電流過大而導致的熱失控；裝配不當造成的封裝損害。

　　落合康顏認為，根據瑞薩電子的統計，客戶的失效問題90%以上是由于過電壓或過電流造成的損壞，特別是IGBT和MOSFET等開關器件，在開關過程中發生的失效極多。“為防止此類失效，采用適當的驅動條件，并盡力抑制PCB寄生電感。”

　　“器件最常見的失效就電壓擊穿，短路燒毀，所以器件抗浪涌的能力必須強，抗沖擊能力必須強。另外耐受電壓的能力也要高。短路失效使我們最頭疼的問題，因為器件短路對電源的沙勝利最大，可能會把整個電路板燒毀，甚至引起火災。”杜堯生舉了一個例子，工廠里運行的變頻器通常是六個橋臂順序工作，如果因為器件失效引發上下橋短路，沒有保護的管子就會炸掉。“功率器件的短路保護是非常重要的設計環節，驅動板都會設定短路保護的時間，功率器件也會有最大短路電流標稱。”

　　功率器件發展趨勢

　　遵循摩爾定律的數字芯片更新換代非常迅猛，相比之下，功率器件發展比較緩慢，但也在不斷演進，從最早的晶閘管技術，到GTO技術、MOSFET技術，再到IGBT、IGCT或IGET，這些以硅為基材的技術，在工作電壓與損耗等參數上似乎已經達到了極限。“SiC技術的興起和成熟，給功率器件帶來了變革的曙光，”杜堯生表示，提高功率密度是目前功率器件技術的主要要求，電力傳動系統和電力轉換系統對能效比要求都很高，“力特的SiC產品，相比傳統功率器件降低了80%的損耗，幾乎變成了一個理想的開關器件。”

　　除了傳統的IGBT，安森美半導體也在持續開發寬禁帶器件技術，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），此外超級結和屏蔽柵極硅基MOSFET（shielded-gate silicon based MOSFET）也是重點投入方向。“產業趨勢是設計開發出更快、導通電阻更小的器件，不斷降低硅特征導通電阻（RSP）和開關損耗，以實現更高的能效和功率密度。”Jon Gladish指出，還有一個優化方向是新型封裝，安森美的重點方向是低寄生電阻和電感的表面貼封裝，以及增強散熱能力的封裝，例如雙面冷卻封裝。

　　Jon Gladish將功率技術發展趨勢總結為四個方向。首先是高壓化，高壓化趨勢是為了提高能源效率；其次是模塊化，通過更有效的熱管理，來實現高額定功率；第三是先進技術研發，重點是基于硅技術和寬禁帶（SiC和GaN等）材料的功率器件技術；最后是智能化，帶保護功能的智能功率器件將更適合工業控制。

　　智能化

　　Jon Gladish表示，雖然智能化功率模組（IPM）比普通分立器件方案更先進，對具體應用更優化，但用戶并不一定會買賬，因為智能功率模組通常價格更高，而且不是像分立器件這樣的標準化產品。

　　但智能功率模組的優點更多。首先模組性能更出色，隔離度更高、散熱性能更強，同時模組內還可包含完整的保護功能，例如過電壓、欠流和熱關斷；其次使用模組可以減小系統尺寸，功率模組通常采用系統化封裝，將MOSFET、IGBT、二極管和驅動電路（Gate Driver Unit，簡稱GDU）等裸片都封在一個封裝里，從而節省系統空間；最后模組可靠性更高，智能功率模組比分立方案元器件數量更少，加工環節減少，保護措施更完善，散熱性能更好，這些都意味著更高的可靠性和更長的壽命。

　　瑞薩電子落合康顏表示，在空調中使用IPM等功率較小的器件已經很廣泛，但工業大功率器件通常是多個芯片并聯使用，所以智能化也是整套設備的智能化。“比如在純電動車中使用IGBT，瑞薩電子的想法并不是讓IGBT本身變得智能化，而是對顧客提供包括IGBT的整個智能化變頻器解決方案。”

　　“集成了驅動管理、熱管理以及防護管理的智能化產品會讓工程設計更加簡潔，力特的產品會更加靈活好用，對整個工業應用也會帶來變革，工業4.0也就是智能化制造的過程，這個過程離不開智能化的功率器件或模組。”設備信息化是實現工業4.0的基礎，就如杜堯生所言，智能化是功率器件行業發展的大趨勢。

　　總結

　　功率器件是保證工業設備正常運作的核心器件，嚴苛的工業應用場景對工業用功率器件的參數提出了更高要求，并需要在使用中增加多種保護措施以防止功率器件失效造成的災難，高壓化、模塊化、智能化將是今后功率器件發展的主要趨勢，寬禁帶半導體技術也越來越受到重視。可以預見，在實現工業4.0過程中，智能化功率模塊的接受度將越來越高。