誰(shuí)在“驅(qū)動(dòng)”工業(yè)4.0

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)，全球制造業(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)中心高級(jí)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，然后決定最佳的選擇；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?！?/p>

“工業(yè)設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線對(duì)功率器件有絕對(duì)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（Littelfuse）技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理杜堯生認(rèn)為，現(xiàn)在對(duì)功率器件的要求越來(lái)越高，高效率、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、高效、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)用工程經(jīng)理 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?！?/p>

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?！绷μ囟艌蛏硎荆β势骷妷涸O(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 的最低電壓設(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?？?，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?！?/p>

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，最重要的是控制多個(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?！八酝ǔＧ闆r，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?？赡軙?huì)觸發(fā)寄生 BJT；長(zhǎng)期工作在線性區(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?！?/p>

“器件最常見(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。短路失效使我們最頭疼的問(wèn)題，因?yàn)槠骷搪穼?duì)電源的沙勝利最大，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бl(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)有最大短路電流標(biāo)稱?！?/p>

功率器件發(fā)展趨勢(shì)
遵循摩爾定律的數(shù)字芯片更新?lián)Q代非常迅猛，相比之下，功率器件發(fā)展比較緩慢，但也在不斷演進(jìn)，從最早的晶閘管技術(shù)，到 GTO 技術(shù)、MOSFET 技術(shù)，再到 IGBT、IGCT 或 IGET，這些以硅為基材的技術(shù)，在工作電壓與損耗等參數(shù)上似乎已經(jīng)達(dá)到了極限。“SiC 技術(shù)的興起和成熟，給功率器件帶來(lái)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(shù)的主要要求，電力傳動(dòng)系統(tǒng)和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)能效比要求都很高，“力特的 SiC 產(chǎn)品，相比傳統(tǒng)功率器件降低了 80%的損耗，幾乎變成了一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)器件?！?/p>

除了傳統(tǒng)的 IGBT，安森美半導(dǎo)體也在持續(xù)開(kāi)發(fā)寬禁帶器件技術(shù)，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），此外超級(jí)結(jié)和屏蔽柵極硅基 MOSFET（shielded-gate silicon based MOSFET）也是重點(diǎn)投入方向。“產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出更快、導(dǎo)通電阻更小的器件，不斷降低硅特征導(dǎo)通電阻（RSP）和開(kāi)關(guān)損耗，以實(shí)現(xiàn)更高的能效和功率密度?！盝on Gladish 指出，還有一個(gè)優(yōu)化方向是新型封裝，安森美的重點(diǎn)方向是低寄生電阻和電感的表面貼封裝，以及增強(qiáng)散熱能力的封裝，例如雙面冷卻封裝。

Jon Gladish 將功率技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為四個(gè)方向。首先是高壓化，高壓化趨勢(shì)是為了提高能源效率；其次是模塊化，通過(guò)更有效的熱管理，來(lái)實(shí)現(xiàn)高額定功率；第三是先進(jìn)技術(shù)研發(fā)，重點(diǎn)是基于硅技術(shù)和寬禁帶（SiC 和 GaN 等）材料的功率器件技術(shù)；最后是智能化，帶保護(hù)功能的智能功率器件將更適合工業(yè)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(jìn)，對(duì)具體應(yīng)用更優(yōu)化，但用戶并不一定會(huì)買賬，因?yàn)橹悄芄β誓＝M通常價(jià)格更高，而且不是像分立器件這樣的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

但智能功率模組的優(yōu)點(diǎn)更多。首先模組性能更出色，隔離度更高、散熱性能更強(qiáng)，同時(shí)模組內(nèi)還可包含完整的保護(hù)功能，例如過(guò)電壓、欠流和熱關(guān)斷；其次使用模組可以減小系統(tǒng)尺寸，功率模組通常采用系統(tǒng)化封裝，將 MOSFET、IGBT、二極管和驅(qū)動(dòng)電路（Gate Driver Unit，簡(jiǎn)稱 GDU）等裸片都封在一個(gè)封裝里，從而節(jié)省系統(tǒng)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(shù)量更少，加工環(huán)節(jié)減少，保護(hù)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(zhǎng)的壽命。

瑞薩電子落合康顏表示，在空調(diào)中使用 IPM 等功率較小的器件已經(jīng)很廣泛，但工業(yè)大功率器件通常是多個(gè)芯片并聯(lián)使用，所以智能化也是整套設(shè)備的智能化?！氨热缭诩?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E5%8A%A8%E8%BD%A6/">電動(dòng)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(duì)顧客提供包括 IGBT 的整個(gè)智能化變頻器解決方案?！?/p>

“集成了驅(qū)動(dòng)管理、熱管理以及防護(hù)管理的智能化產(chǎn)品會(huì)讓工程設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，力特的產(chǎn)品會(huì)更加靈活好用，對(duì)整個(gè)工業(yè)應(yīng)用也會(huì)帶來(lái)變革，工業(yè) 4.0 也就是智能化制造的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程離不開(kāi)智能化的功率器件或模組。”設(shè)備信息化是實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 的基礎(chǔ)，就如杜堯生所言，智能化是功率器件行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

總結(jié)
功率器件是保證工業(yè)設(shè)備正常運(yùn)作的核心器件，嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)工業(yè)用功率器件的參數(shù)提出了更高要求，并需要在使用中增加多種保護(hù)措施以防止功率器件失效造成的災(zāi)難，高壓化、模塊化、智能化將是今后功率器件發(fā)展的主要趨勢(shì)，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)也越來(lái)越受到重視?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 過(guò)程中，智能化功率模塊的接受度將越來(lái)越高。