近年來，電力電子半導體市場出現(xiàn)快速增長，主要是由于電動/混合動力汽車（EV/HEV）和電機驅動的IGBT器件銷量增加。MOSFET 需求受到汽車電氣和網(wǎng)絡以及電信市場的推動，由于 5G 網(wǎng)絡的普及，未來 3 年的復合年增長率為 8.3%。除了日益嚴格的效率要求外，EV / HEV 細分市場還受到二氧化碳減排目標的技術驅動。工業(yè)領域新動力系統(tǒng)、電動機和相關控制的開發(fā)和創(chuàng)新需要分立的高性能組件。新復合材料的使用可以通過提高所創(chuàng)建系統(tǒng)的效率來滿足這一需求。

一切都是“力量”

今天，電子功率界眾所周知，碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 半導體材料顯示出優(yōu)異的性能，與常見的硅基器件相比，允許在更高的電壓、更高的溫度和更高的開關頻率下運行。

“我們可以看到市場明顯分為三個部分，” Maxim Integrated 的首席技術官Dave Dweley說。“這些細分市場中的每一個都適合不同的半導體材料。大約 50 伏及以下的低壓部分非常適合硅器件。III-V 族半導體類型所具有的優(yōu)勢，即全球范圍內(nèi)的 GaN 和 SiC 以及砷化鎵，都被其成本結構所克服，只是它們的制造量與硅的制造量不同，因此它們不‘不具有相同的成本優(yōu)勢，或受到其他技術問題的影響。

氮化鎵是一個很好的例子，其中實際的內(nèi)部晶體管具有極高的性能，但將電流從晶體管輸出到電路板上的導體不如硅。

在非常低的電壓下，這些導體成為主要電阻，因此，GaN 在性能上沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢。對于低于 50 伏的電壓，硅就是答案。對于 50 到 400 伏之間的電壓，我們認為 GaN 被證明是更好的選擇，因為這是寄生效應不會受到太大影響的工作區(qū)域，并且 GaN 正在迅速獲得更好的成本結構。然后在大約 500、600 到數(shù)千伏以上，碳化硅有一個很好的故事要講。”

使 SiC 在工業(yè)系統(tǒng)中具有優(yōu)勢的一個因素可能表現(xiàn)為 SiC 承受“雪崩”條件的能力，這可能發(fā)生在感性負載中，即使 GaN 的值有所提高。

在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件目前代表了一個真正的創(chuàng)新時刻，特別是對于汽車和工業(yè)自動化控制。

電機控制IC還有助于執(zhí)行各種操作，例如選擇電機正轉或反轉、選擇和調整速度、防止過載、限制或調整扭矩以及防止故障。

由于生產(chǎn)技術、創(chuàng)新和技術進步的快速變化，到 2022 年，汽車和運輸行業(yè)將在伺服電機和驅動器的數(shù)量和價值方面占據(jù)最大的市場份額。全球對伺服驅動器、控制器和電機的需求也很旺盛，因為它們可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率。當前的電機控制技術涉及使用微電子設備來提供更好的速度、位置和扭矩控制，以及更高的效率。

圖 1：緊湊型 4.5V 至 36V 全橋直流電機驅動器

對于每種類型的電機，都有引導和速度和/或扭矩控制技術：從直流和通用電機的電壓和電流的簡單控制，到交流電機的逆變器的使用，再到無刷電機中不同相位的反饋切換，用于復雜步進電機驅動序列的數(shù)字電路（圖 1）。

“檢測失速或過載情況，或者在不過熱或不造成電氣損壞的情況下充分發(fā)揮電機的性能，我們結合使用電機控制動力系統(tǒng)和一些智能來觀察電機。這可確保電機按照應用程序期望的方式運行，并確保沒有出現(xiàn)任何問題，需要采取措施 保護電路或電機。”

電源設計人員、電池管理系統(tǒng)和電動驅動器通常需要準確測量電流。電流測量是電力電子學的一個組成部分。電流傳感器（不要與電流互感器混淆）可以測量直流和交流電流。電流傳感器最常用的技術是閉環(huán)霍爾效應或閉環(huán)磁通門。通常，無論電源電壓如何，電源要求都在低于 30 mA 的范圍內(nèi)。

“霍爾傳感器或使用電阻分流器的電流傳感器提供了檢測進入電機的電流的方法——該電流的直流和交流分量”，正如戴夫所說。“不同的電機和不同的策略需要不同的傳感器。 電流感應使控制器能夠更好地選擇如何處理電機，這就是我們看到的差異化之處。Maxim 的策略主要基于電阻電流檢測。我們有幾種針對該市場的電流傳感產(chǎn)品，隨著我們構建越來越復雜的電機控制設備，該功能將內(nèi)置到電機驅動器中。你會看到越來越多這樣的產(chǎn)品出現(xiàn)。”

任何霍爾效應檢測設備的設計都需要一個能夠響應通過電子輸入接口檢測到的物理參數(shù)的磁性系統(tǒng)。霍爾效應傳感器檢測磁場并根據(jù)電子系統(tǒng)的要求產(chǎn)生適當轉換為標準的模擬或數(shù)字信號（圖 2）。

電機控制活動是許多工業(yè)領域的一部分，尤其是新興的電動汽車市場。“使電動汽車與眾不同的是牽引電機，電動牽引電機。牽引電機需要兩件事。它需要電機控制器，還需要電池管理系統(tǒng)。” 在許多市場中，能源效率和電機控制是整個系統(tǒng)正常運行的兩個要素或挑戰(zhàn)。

圖 2：具有 PWM 抑制功能的雙向電流檢測放大器

能量收集

談到電動汽車，或許我們可以考慮能量收集。回收車輛在運動和制動過程中消耗的能量是道路上能量收集背后的概念。強大的動機支持了對電動汽車的肯定：首先是環(huán)境兼容性，其次，但不是次要的，是功能簡單性和能源效率。

功能簡單是因為內(nèi)燃機由數(shù)百個功能部件組成，所有部件都相互作用并處于運動狀態(tài)，而電動汽車發(fā)動機僅由電動機組成，電動機在功能上是唯一處于運動狀態(tài)的推進部件。

“能量收集是一個有趣的領域。總的來說，它在電子領域有著巨大的應用，但在車輛中，它更像是一個角落用例，因為當車輛行駛時，它會消耗大量的能量。這就是電池組如此大的原因。這通常意味著，由于牽引電機使用了 90% 的能量，而 HVAC 系統(tǒng)使用了幾乎所有其余的能量，汽車中的其余功能，它們使用多少能量并不重要，因為有這個巨大的電池在地板下，在座位之間。” 正如戴夫所說。

下一代系統(tǒng)的能源問題將在使微電子技術的應用特別普遍方面發(fā)揮關鍵作用，例如物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng)，在新興的“萬物互聯(lián)”中更是如此。

“挑戰(zhàn)不僅在于在可以收集能量時收集能量，還在于在這些時間之間儲存能量，然后在能量儲存最終耗盡時向系統(tǒng)發(fā)出信號，以便當能量確實回來時，它可以優(yōu)雅地醒來。”

電源管理 IC

PMIC旨在提供許多優(yōu)勢，包括比標準解決方案低 40% 的能源，延長電池壽命，同時提供市場上最緊湊的外形（圖 3）。

圖 3：3 輸出 SIMO 降壓-升壓穩(wěn)壓器

PMIC 器件為產(chǎn)品提供電源電路解決方案。此類別包括：電壓調節(jié)器、電池管理和監(jiān)控器、LED 驅動器、電機驅動器/控制器。大多數(shù)解決方案為許多常見微處理器和 FPGA 的所有電源軌提供集成解決方案。電池具有與電池化學相關的復雜電流要求。電池電量可能會降至臨界水平以下，在這種情況下，相關電路將無法用于各種控制應用。PMIC 在單個器件中結合了多種電源和安全功能，以減少設計時間和電路板空間。

審核編輯：郭婷