英飞凌科技：专注电机驱动三...市场__迎接电机市场新挑战_陈子颖.pdf

2023.3电子产品世界技术专题电机控制Motor control英飞凌科技：专注电机驱动三大市场 迎接电机市场新挑战陈子颖，朱 桦，李国豪（英飞凌科技）基于对英飞凌 2021 和 2022 财年每季度营收对比来看,自动化和驱动、家电以及电动汽车这三个领域是电机控制系统应用的主要市场增长点。这 3 大电机驱动的支柱可以很好地反映全球电机驱动的发展。根据市场咨询公司分析师的观点以及客户对市场的看法,认为电机驱动在 2023 年的增长相对平稳。电机驱动是功率半导体的重要应用,英飞凌的电机驱动方案覆盖几十瓦到几十兆瓦的各类应用。功率半导体产品包括 IGBT、SiC MOSFET、高性能的 AI 处理器、用于工业 4.0 的无线互联的 Wi-Fi 蓝牙产品、安全芯片、采用 IGBT、MOSFET 和 SiC 的 IPM 智能功率模块和高压大电流晶闸管以及电机驱动芯片 iMOTION 等；应用领域包括大小家电、通用变频器、伺服驱动等比较通用的工厂自动化设备、机车牵引、电动汽车等。在应用层面上,英飞凌从家电到工业以及高端的变频器等领域的产品也是全覆盖的,其中家电类增加比较快的有高效制热的技术热泵和变频类的大家电。就家电领域进行细化,到 2024年,家用空调变频率会达到99%,洗衣机以及电冰箱变频率也会逐年提高,到 2024 年也有 94%和 75%（一共有 6 亿多台）,未来从家电市场的增长率以及家电变频率的增长来看,其潜力相当巨大。英飞凌也对市场工业驱动的增长率进行预测,涨幅为 4.8%。1 数字控制解决方案英飞凌面向电机控制系统可提供 iMOTION 数字控制芯片技术。它是专用的电机驱动芯片,运用英飞凌公司长期积累的系统级 know-how（诀窍）,可以在单芯片上完成单电阻采样、无传感器的双电机控制和 PFC 控制。客户无需进行电机控制编程,开发简单、研发周期短。主要应用于以变频家电为主的各种电机驱动,控制对象包括压机,风机,水泵以及通用电机。iMOTION 是一款用于调速驱动器的高度集成的产品系列,使用直流母线电流检测或使用桥臂电流检测,集成了无传感器磁场图 英飞凌电机控制相关业务对比2ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$技术专题Motor control电子产品世界电机控制定向控制(FOC)所需的所有控制以及模拟接口功能。在整个产品系列中,SmartIPM 子系列实现了最高层次的集成。MCE、微控制器、栅极驱动器和三相逆变全桥都集成在 1 个无引脚的封装元件上,构成了 1 个完整的逆变器系统。英飞凌还面向电机控制应用提供微控制器（MCU）产品。主要优势包括以下几点。1）英飞凌在 MCU 方面拥有丰富的产品线,包括PSoC 和 XMC,可以全面覆盖从家电到工业控制的电机驱动应用。2）从应用的角度来看,英飞凌支持小家电、白色家电和工业应用的电机驱动,以及包括医疗在内的特殊场景使用的电机驱动,还包括商用车的电机驱动等,涵盖的范围非常广泛。3）从方案角度来看,英飞凌在中国有成熟的方案团队,可以为客户提供整套解决方案,以满足消费家电和工业应用电机驱动的要求,包括伺服驱动和变频器等。4）英飞凌可以直接为客户提供量产级的应用软件支持,同时可以把量产级的软件放在评估板上进行评估,从而帮助客户在他们的系统上进一步实现更出色的性能。随着电机驱动的应用场景越来越广泛,其对数字控制的要求就会更高。从微控制器的角度来讲,PSoC、XMC算力和外设性能的不断提升,可以在软件控制端、系统控制端驱动变频化的上升,这样可以推动电机从老一代定频驱动走向变频驱动,有助于在系统层面大幅度提升电机驱动能效。微控制器配合英飞凌的 IGBT 或者碳化硅功率器件共同使用,可以从硬件层面实现系统级的最高效率。英飞凌基于自身先进的工艺和长期累积的开发经验,可以提供这种高性价比的产品。此外,高端的电机驱动需要支持更多专用的功能,比如需要支持更多的工业通信总线协议,需要支持更快的电动采样系统等。对于更复杂的电机驱动系统,英飞凌可提供基于自身 MCU 产品的高效率电机启动算法以及 FOC 算法给客户参考。然后,客户可以参考英飞凌的方案来设计和开发他们自己的产品。此外,英飞凌还在开发更高效率的电机驱动算法,以匹配和支持即将发布的、拥有更高算力的下一代 MCU 产品,使整个系统的数字控制部分的效率得以进一步提升。2 电机系统中的功率单元英飞凌为电机驱动应用在 Easy、Econo 等模块封装里建立了 IGBT7 全系列产品。IGBT7 是继 IGBT4 上市后一个重要的产品,它采用微沟槽技术,损耗比 IGBT4低,而且允许过载时的工作结温达 175,这样定义产品符合应用实际需求。IGBT7 的高功率密度使得应用系统的功率密度也大幅提高。譬如汇川技术采用 IGBT7的伺服驱动 SV660 1 kW,比采用 IGBT4 的上一代产品IS620 体积减小 39%。TRENCHSTOP IGBT7 和 EC7 二极管技术是基于最新的微沟槽技术,使得器件损耗大幅降低,并具有更高可控性。该芯片特别针对工业电机驱动应用和太阳能逆变器应用进行了优化,使得器件静态损耗大幅降低,功率密度更高,同时开关软度提高。碳化硅对电机驱动可带来 3 个优势,首先是功率密度的提高,其次可以采用自然冷却,也奠定的高速电机驱动发展的基础。SiC MOSFET 技术的诞生,使得1 200 V 以上也有了高速功率开关器件。而硅 MOSFET主要应用在 650 V 及以下的中低压功率领域。除高速开关特性之外,碳化硅还具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,尤其适合对高温、高功率密度、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。功率密度是器件技术价值的另一个重要方面。SiC MOSFET 芯片面积比 IGBT 小很多,譬如 100 A 1 200 V 的 SiCMOSFET 芯片大小大约是 IGBT 与续流二级管之和的五分之一。因此,在电机驱动中应用中,SiC MOSFET 的价值能够得到很好的体现,其中包括650 V SiC MOSFET。1 200 V SiC MOSFET 是高速开关器件,可以使一些应用电路的拓扑得以大大简化,提高系统功率密度,降低成本。同时碳化硅也催生了封装技术的进步,比如应用于碳化硅单管的点 XT 技术和采用氮化铝 DCB 的 Easy 系列功率模块。由于碳化硅芯片的成本很高,为了提高其输出能力,散热就会变的至关重要,(下转第8页)8ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$技术专题Motor control电子产品世界电机控制控制的核心单元,为了提高电机控制的精度和速度,矢量引擎被广泛采用,传统的矢量控制需要消耗大量的软件资源。如果矢量控制软件占用了嵌入式存储器的主要容量,那么因软件资源不足会导致微控制器不能有效地工作。东芝在微控制器中引入了 1 个硬件 IP,它能在没有CPU详细指令的情况下处理矢量控制中的复杂计算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎执行从3相到2相的转换、旋转坐标转换和反向转换,它们是矢量控制中的主要计算。在矢量控制中与矢量引擎配合使用将会大大提高微控制器的性能。近年来,随着社会对电动汽车需求的增长,产业对能满足车载设备更大功耗的元器件的需求也在增加。新品采用了东芝的新型 L-TOGL 封装,支持大电流、低导通电阻和高散热。上述产品未采用内部接线柱结构,通过引入 1 个铜夹片将源极连接件和外部引脚一体化。源极引脚采用多针结构,与现有的 TO-220SM(W)封装相比,封装电阻下降大约 30%,从而将 XPQR3004PB的漏极额定电流（DC）提高到 400 A,高出当前产品 1.6倍。厚铜框的使用使 XPQR3004PB 内的沟道到外壳热阻降低到当前产品的 50%。这些特性有利于实现更大的电流,并降低车载设备的损耗。凭借新型封装技术,新产品可进一步简化散热设计,显著减少半导体继电器和一体化起动发电机变频器等需要大电流的应用所需的 MOSFET 的数量,进而帮助系统缩小设备尺寸。当需要并联多个器件为应用提供更大工作电流时,东芝支持这两款新品分组出货,即按栅极阈值电压对产品分组。这样可以确保设计使用同一组别的产品,从而减少特性偏差。因为车载设备可能工作在各种温度环境下,所以表面贴装的焊点可靠性是一个需要考虑的关键因素。新品采用鸥翼式引脚降低贴装应力,提高焊点可靠性。在碳化硅产品上,东芝已经推出了 3 代产品,第三代碳化硅 SiC MOSFET 推出电压分别为 650 V 和1 200 V 的两款系列产品。与第二代产品一样,东芝新三代 MOSFET 内置了与 SiC MOSFET 内部 PN 结二极管并联的 SiC 肖特基势垒二极管（SBD）,其正向电压（VF）低至-1.35 V（典型值）,以抑制 RDS(on)波动,从而提高可靠性。此外,与第 2 代产品相比,东芝先进的 SiC 工艺显著改善了单位面积导通电阻 RonA,以及代表开关特性的性能指标 Ron*Qgd。此外,极驱动电路设计简单,可防止开关噪声引起的故障。(上接第2页)所以需要利用更新的封装技术来实现更好的散热,进而提升碳化硅的利用率,使系统的功率密度更高更紧凑。3 其他趋势在电机控制系统中,传感器为马达转动以及定位提供精准感测,马达震动异常监测,以及在生产线中精准定位信息。传感器采集到的数据能够提供预测性维护功能,减低甚至避免异常组件对生产线进程的影响。就无传感器的电机而言,英飞凌会针对启动时间、各种应用场景下的启动状态、以及检测和控制等各个方面对算法进行优化,从而提高控制效率,让整个系统的运行变得更加稳定。英飞凌正在开发下一代用于边缘计算和 AI控制器的 MCU。第一,该 MCU 产品可以在智能化的趋势下,利用边缘计算集成的特点来优化在电机驱动端对 AI 算法有需求的应用的支持。第二是从传感或者工业 4.0 浪潮下数据采集的角度来看,英飞凌拥有高性能的蓝牙产品、Wi-Fi 产品、以及蓝牙和 Wi-Fi 二合一产品,这些无线连接产品可以和传感器一起组成 1 个数据传输系统,通过无线连接的方式更加智能化地实时传输整个系统的数据,进而提高提升整个电机系统的效率和能效。