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工業和汽車用功率半導體:哪些應用是新風向標?

作者:迎九時間:2019-04-28來源:電子產品世界收藏

  近日,工業和汽車部向《電子產品世界》介紹了兩大產業的應用熱點,及該公司的解決方案。

本文引用地址:http://www.xinfa15808.cn/article/201904/400029.htm

  1 工業機遇:可再生能源發電、電機驅動、

  工業市場正處于基礎設施革命之中,舊的機械系統正被電子系統取代。這些電子系統顯著提高能效,減少世界碳排放。各國政府了解這些電子系統的重大影響,并實施政策和法規以加速轉變。

  從功率如何產生開始,傳統方法如燃煤電廠在迅速轉向由太陽能和風能的替代能源。這種轉變比預期的快很多,使各國政府要制定進取的目標。例如,中國國家發改委提出了在2030年前將可再生能源發電比例從20%提升到35%的發展目標。這場能源革命給功率半導體帶來很大的商機,一個太陽能逆變器中的功率半導體含量可從燃煤發電廠的0美元升到650美元。這650美元的含量主要是IGBT功率模塊,用于將太陽能面板的DC電壓升壓到較高電壓,然后用另一IGBT模塊轉換為AC電壓供給電網。

  轉向替代能源有個主要的缺點:峰值能量產生并不同時與峰值能量消耗發生。這為功率半導體在能量存儲系統(ESS)中的應用創造了額外的商機,以解決這一缺陷。一個典型ESS的功率半導體含量約為836美元。

  功率半導體不僅用于減少發電中的碳排放,且用于有效地利用所產生的功率。最有力的例子是消耗全世界約45%能源的工業電機。采用IGBT模塊控制電機速度的新變速驅動(VSD)可降低60%的能耗。這些VSD的功率等級范圍很廣,平均功率半導體含量約為40美元。但普通電機沒有功率半導體。這種轉變正在迅速發生,因為可為政府和制造商帶來經濟效益和環保成效。如果全球到2030年完全轉用VSD電機,那將總節省超過1.7萬億美元,或相等于世界上安裝的核電站的所有能源輸出。

  雖然有些應用正在減少世界的能源需求,但也有些新的應用將大幅增加能源需求,例如電動汽車(EV)充電樁。電動汽車的迅速普及在推動功率半導體含量高達500美元的的部署需求。沒有功率半導體的加油站將需要轉換為消耗大量能源,因而需要功率半導體的電動汽車充電樁,因而需要基礎設施的大幅變革。

  1.1 的相關產品

  提供寬廣的尖端功率半導體陣容,可充分發揮在快速增長工業市場的優勢,包括領先行業的功率溝槽MOSFET技術,采用最新的分立封裝,提供更高能效用于次級整流等應用。在高電壓領域,有具備領先的650V和1200 V IGBT技術。IGBT是上述大多數應用的核心。

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  安森美半導體集結這些領先行業的技術在電源模塊中,提供更高的集成度和可靠性。公司的智能功率模塊(IPM)陣容處于有利地位,廣泛用于電機驅動,使用領先的分立IGBT技術。在轉向更高的功率等級方面,公司提供功率集成模塊(PIM),把IGBT、FET、二極管和碳化硅(SiC)器件集成在一個模塊中。公司的PIM在太陽能逆變器市場占有很大的份額,并擴展到上述其他市場。

  今天,僅僅在傳統的硅分立和模塊技術領先是不夠的,領先的功率半導體制造商還需具備寬禁帶(WBG)技術。安森美半導體有強大的650 V和1200 V節點SiC二極管,最近還推出了1200 V SiCMOSFET系列,提供更高能效、更小的方案,并降低系統成本。

  安森美半導體是全球第二大功率半導體制造商,擁有尖端的硅、WBG和封裝技術,將能在工業市場抓住這巨大的增長機遇。

  2 48 V汽車功能電子化

  汽車應用持續穩定增長,隨著一些電動汽車和混動汽車的推出,48 V汽車功能電子化市場需求大增。

  隨著大量新的輕度混合動力電動汽車(MHEV)的推出,48V汽車功能電子化市場已爆發。這些車輛一直在增長,因為車廠力求符合新的嚴格的碳排放和燃油經濟性要求。48 V車輛實際是雙電壓車輛,除了普通的12 V電池外,還添加了一個48V電池來運行新的更高功率的子系統。這些子系統主要由一個集成的啟動器/發電機(ISG)組成,用于啟動、充電和加速。由于能關斷主汽油發動機并使用ISG重新啟動車輛,從而省油和提升能效。此外,ISG可獲取制動時損失的能量,以重新為電池充電。它還增加了一個“助推”功能,幫助汽車加速,因此支持制造商縮小汽油發動機。與“全混合動力”相比,這些“混合”功能的組合可大大增加車輛的每加侖英里數(MPG)和降低碳排放,但只增加適當的成本。

  這些48 V系統給車輛增加顯著的電力電子成分。首先,ISG含一個多相功率半導體橋(三相或六相)。它由80 V或100 V MOSFET器件或全集成的功率模塊構成。

  功率橋器件需要支持電路,如門極驅動IC、電流檢測放大器和其他緩沖或瞬態抑制器件。48 V車輛還需要一個電源轉 換 器 , 以 從 4 8V ISG輸出為12 V電池充電。該轉換器需要額外的功率器件及必要的電子支持電路來執行這一功能。其他48 V子系統也在不斷推出,如電動渦輪增壓 器 或 電 動 增 壓器,其設計中具有顯著的電力電子含量。

  2.1 安森美半導體的相關優勢

  安森美半導體一直是把功率溝槽MOSFET技術封裝在許多尖端的行業封裝中的領袖之一,也在開發應用于汽車的80 V和100 VMOSFET模塊突飛猛進。這些模塊由溝槽功率MOSFET組成,能夠驅動25 kW的ISG應用,是電隔離的、高效散熱的和緊湊的,且含內部溫度檢測、電壓過沖緩沖器件,并具有支持3相和6相驅動的配置。

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  寬禁帶在碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率器件取得進展,在半導體領域是非常新的,已廣泛用于商業和工業應用?,F已在汽車細分市場越來越受歡迎,因為它們能提高許多高功率汽車系統的能效、并以高得多的速度工作。其更高的開關速度勝于典型的“硅”器件。在現代汽車成本中,尤其注重重量和體積,促成車輛的電子和電力電子系統的激增。

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  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第5期第86頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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