安森美如何引領(lǐng)電源技術(shù)的綠色變革

以下文章來源于PSD功率系統(tǒng)設(shè)計 ，作者安森美

在全球氣候變化日益嚴峻的背景下，節(jié)能減排已成為國際社會共同面臨的重大課題。各國政府紛紛出臺政策，推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和低碳經(jīng)濟發(fā)展，旨在實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的溫升控制目標。在此趨勢下，高效、環(huán)保的電源技術(shù)成為了行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵方向。

作為全球領(lǐng)先的高能效電源管理解決方案提供商，安森美(onsemi)就不斷推出創(chuàng)新產(chǎn)品，致力于加速電源技術(shù)的綠色變革。從最新的碳化硅(SiC)技術(shù)到集成度更高的電源模塊，再到多產(chǎn)品組合的完整電源方案，安森美的技術(shù)創(chuàng)新不僅體現(xiàn)了對環(huán)境責任的擔當，也為行業(yè)樹立了新的標桿。本文將深入探討安森美近期發(fā)布的幾款代表性產(chǎn)品，分析其如何引領(lǐng)電源技術(shù)走向更加綠色可持續(xù)的發(fā)展道路。

以創(chuàng)新模塊化設(shè)計挖掘性能潛力

模塊化設(shè)計在很多領(lǐng)域都成為一種提高產(chǎn)品集成度、功率效率和降低成本的有效方式，而功率半導體應(yīng)用領(lǐng)域尤其顯著，無論是新能源應(yīng)用、電動汽車和儲能領(lǐng)域都收到歡迎。模塊化設(shè)計通過集成多個功率器件和功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計和組裝過程，提高了系統(tǒng)的可靠性和效率。模塊化產(chǎn)品通常具有更好的熱管理性能和電氣性能，能夠承受更高的功率密度和更嚴苛的工作環(huán)境。安森美今年就推出了多款功率模塊的最新迭代。

其中F5BP封裝的最新一代硅和碳化硅混合功率集成模塊就非常適合用于提高大型太陽能組串式逆變器或儲能系統(tǒng) (ESS) 的功率。與前幾代產(chǎn)品相比，這些模塊在相同尺寸下提供了更高的功率密度和效率，將太陽能逆變器的總系統(tǒng)功率從 300 kW提高到 350 kW。

這意味著，使用最新一代模塊的裝機容量為一千兆瓦的大型太陽能發(fā)電場，每小時可實現(xiàn)近兩兆瓦的節(jié)能效果，相當于每年為超過 700 戶家庭供電。此外，要達到與上一代產(chǎn)品相同的功率，所需的模塊數(shù)量更少，可將功率器件的元器件成本降低 25% 以上。

由于太陽能發(fā)電的平準化能源成本 (LCOE) 最低，太陽能正日益成為全球可再生能源發(fā)電的首選。為了彌補太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定性，公用事業(yè)運營商也在增設(shè)大型電池儲能系統(tǒng) (BESS) ，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定供能。為了支持這種系統(tǒng)組合，制造商和公用事業(yè)公司需要能夠提供最高效率和可靠電力轉(zhuǎn)換的解決方案。每提高 0.1% 的效率，對于每千兆瓦裝機容量，每年可節(jié)省 25 萬美元的運營成本。

F5BP-PIM集成了1050V FS7 IGBT和1200V D3 EliteSiC二極管，實現(xiàn)高電壓和大電流轉(zhuǎn)換的同時降低功耗并提高可靠性。FS7 IGBT 關(guān)斷損耗低，可將開關(guān)損耗降低達 8%，而EliteSiC二極管則提供了卓越的開關(guān)性能，與前幾代產(chǎn)品相比，導通壓降 (VF) 降低了15%。

這些PIM包含了一種創(chuàng)新的I型中點箝位 (INPC) 拓撲結(jié)構(gòu)的逆變器模塊和飛跨電容拓撲結(jié)構(gòu)的升壓模塊。這些模塊還使用了優(yōu)化的電氣布局和先進的直接銅鍵合 (DBC) 基板，以降低雜散電感和熱阻。此外，銅基板進一步將結(jié)到散熱片的熱阻降低了9.3%，確保模塊在重載下保持冷卻。這種熱管理對于保持模塊的效率和使用壽命至關(guān)重要，使其在需要可靠和持續(xù)供電的苛刻應(yīng)用中非常有效。

碳化硅技術(shù)再迭代，新平臺EliteSiC M3e性能升級

如果電源技術(shù)沒有重大創(chuàng)新，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施將無法滿足全球日益增長的智能化和電氣化出行需求，而電氣化的未來依賴于先進的功率半導體，電源創(chuàng)新對于實現(xiàn)全球電氣化和阻止氣候變化至關(guān)重要。

碳化硅技術(shù)被人們寄予厚望，每一代新的碳化硅技術(shù)都會優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，以在更小的面積上高效傳輸更大的電流，從而提高功率密度。結(jié)合公司自有的先進封裝技術(shù)，安森美能最大化提升性能并減小封裝尺寸，其EliteSiC M3e MOSFET將發(fā)揮關(guān)鍵作用，以更低的千瓦成本實現(xiàn)下一代電氣系統(tǒng)的性能和可靠性，從而加速普及電氣化并強化實施效果。

由于能夠在更高的開關(guān)頻率和電壓下運行，該平臺可有效降低電源轉(zhuǎn)換損耗，這對于電動汽車動力系統(tǒng)、直流快速充電樁、太陽能逆變器和儲能方案等廣泛的汽車和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。此外，EliteSiC M3e MOSFET 將促進數(shù)據(jù)中心向更高效、更高功率轉(zhuǎn)變，以滿足可持續(xù)人工智能引擎指數(shù)級增長的能源需求。

EliteSiC M3e MOSFET 在可靠且經(jīng)過實際驗證的平面架構(gòu)上顯著降低了導通損耗和開關(guān)損耗。與前幾代產(chǎn)品相比，該平臺能夠?qū)〒p耗降低30%，并將關(guān)斷損耗降低多達50%1。通過延長SiC平面MOSFET的壽命并利用EliteSiC M3e 技術(shù)實現(xiàn)出色的性能，安森美可以確保該平臺的堅固性和穩(wěn)定性，使其成為關(guān)鍵電氣化應(yīng)用的首選技術(shù)。

M3e MOSFET 還提供超低導通電阻(RSP)和抗短路能力，這對于占據(jù)SiC市場主導地位的主驅(qū)逆變器應(yīng)用來說至關(guān)重要。M3e 裸片與之前的EliteSiC技術(shù)相比，能夠提供更大的相電流，使同等尺寸主驅(qū)逆變器的輸出功率提升約20%。換句話說，在保持輸出功率不變的情況下，新設(shè)計所需的SiC材料可以減少20%，成本更低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更小、更輕、更可靠的系統(tǒng)設(shè)計。

強強聯(lián)合的組合方案向性能優(yōu)化要效率

俗話說，“好鋼要用到刀刃上”、“一個好漢三個幫”，要實現(xiàn)當前新能源、儲能和數(shù)據(jù)中心等對效率敏感的領(lǐng)域的高效率運營，個別功率器件的“單打獨斗”有時候挖掘效率的潛力有限，組合的方案能實現(xiàn)更高的效率。

以能耗大戶數(shù)據(jù)中心為例，如果能夠減少約1%的電力損耗。全球的數(shù)據(jù)中心每年可以減少約10太瓦時的能源消耗，相當于每年為近百萬戶家庭提供全年的用電量。為此，安森美推出通過使用T10 PowerTrench系列和EliteSiC 650V的數(shù)據(jù)中心完整電源解決方案，強大組合為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供了一種完整解決方案，在更小的封裝尺寸下達到了能效和熱性能的極高指標。

預(yù)計在未來不到兩年的時間，全球數(shù)據(jù)中心的電力需求將達到約1,000太瓦時(TWh)，從電網(wǎng)到處理器，電力需要經(jīng)過四次轉(zhuǎn)換來為人工智能請求的處理提供電能，這可能導致約12%的電力損耗。在12%的損耗中，我們能挖掘很多效率的潛力空間。

安森美EliteSiC 650V MOSFET提供了卓越的開關(guān)性能和更低的器件電容，可在數(shù)據(jù)中心和儲能系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的效率。與上一代產(chǎn)品相比，新一代碳化硅(SiC)MOSFET的柵極電荷減半，并且將儲存在輸出電容(Eoss)和輸出電荷(Qoss)中的能量均減少了44%。與超級結(jié)(SJ)MOSFET相比，它們在關(guān)斷時沒有拖尾電流，在高溫下性能優(yōu)越，能顯著降低開關(guān)損耗。這使得客戶能夠在提高工作頻率的同時減小系統(tǒng)元件的尺寸，從而全面降低系統(tǒng)成本。

另外，T10 PowerTrench系列專為處理對DC-DC功率轉(zhuǎn)換級至關(guān)重要的大電流而設(shè)計，以緊湊的封裝尺寸提供了更高的功率密度和卓越的熱性能。這是通過屏蔽柵極溝槽設(shè)計實現(xiàn)的，該設(shè)計具有超低柵極電荷和小于1毫歐的導通電阻RDS(on)。此外，軟恢復(fù)體二極管和較低的Qrr有效地減少了振鈴、過沖和電氣噪聲，從而確保了在壓力下的最佳性能、可靠性和穩(wěn)健性。T10 PowerTrench 系列還符合汽車應(yīng)用所需的嚴格標準。

通過使用T10 PowerTrench系列和EliteSiC 650V解決方案，預(yù)計數(shù)據(jù)中心能夠減少約1%的電力損耗。而且，該組合解決方案還符合超大規(guī)模運營商所需的嚴格的開放式機架V3(ORV3)基本規(guī)范，支持下一代大功率處理器。