逆变器bom

SiC和GaN,新兴功率器件如何选?

SiC肖特基二极管（SBD）已有超过十年的历史，而SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、SiC结型场效应晶体管（JFET）和SiC双极型晶体管（BJT）则是近年来逐渐出现在市场上。GaN功率器件则是刚刚开始在市场上露面。这些新兴的功率器件都有可能成为未来的市场主角，那么我们应该如何选择呢？为了深入了解这些新兴功率器件，我们选取了其中最具代表性的产品进行介绍，并通过对比来感受它们的发展脉搏，看看谁能在未来的市场中胜出。

首先，SiC BJT产品能够实现较高的效率、电流密度和可靠性，并且能够顺利地进行高温工作。此外，SiC BJT具有优良的温度稳定性，在高温下的性能与常温时几乎没有差别。SiC BJT实际上具备了所有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的优点，并同时解决了所有使用IGBT设计上的瓶颈。由于IGBT是电压驱动，而SiC BJT是电流驱动，设计工程师要用SiC BJT取代IGBT，开始时可能会不习惯，但是器件供应商，如飞兆半导体，通常都会提供参考设计，以帮助工程师设计驱动线路。将来这方面的专用驱动芯片推出后，使用SiC BJT就会更简化。

其次，SiC BJT的导通损耗（Vce）降低了47%，开关损耗（Eon）降低了60%，关断损耗（Eoff）降低了67%。SiC BJT可提供市场上最低的传导损耗，在室温下，每平方厘米的Ron小于2.2毫欧姆。SiC BJT可提供最小的总损耗，包括驱动器损耗。SiC BJT是有史以来最高效的1200V功率转换开关，SiC BJT实现了更高的开关频率，其传导和开关损耗较IGBT低（30-50%），从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。

再者，对于2KW从400V到800V的升压电路，使用硅IGBT实现时只能实现25KHz开关频率，并且需要用到5个薄膜电容，而使用SiC BJT实现时，不仅开关频率可做到72KHz，而且只需要用到2个薄膜电容，散热器尺寸、电感尺寸都降低三分之一，即可用更小的电感，从而大大节省系统总物料清单（BOM）成本。

此外，提高电源的开关频率，实现高频化：传统IGBT最大的缺点是开关速度慢，工作频率低，它在关断时有个电流尾巴会造成很高的关断损耗。SiC BJT开关速度快又没有IGBT关断时的电流尾巴，所以开关损耗很低。在相同额定耐压情况下，SiC BJT的导通内阻也比IGBT的VCE(sat)来得低，这可以减少传导损耗。SiC BJT最佳的应用场合是大于3000W功率的电源设计，这类电源很多是用IGBT来做开关器件，以达到成本及效率上的最佳化。设计工程师如果用SiC BJT来取代IGBT，可以很容易把电源开关频率大幅提升，从而缩小产品的体积以并提升转换效率。由于频率的提升，在设计上也可以减少周边电路所粗物需的电感、电容的数目，有助于节省物粗成本。

另一方面，SiC BJT的开关速度很快，可在<20nS内完成开关动作，这样的速度甚至比MOSFET还快，所以它也是可以用来取代MOSFET的。与双极型IGBT器件比较，SiC BJT具有更低的导通内阻，能进一步降低传导损耗。SiC BJT的高温度稳定性、低漏电，都超越了IGBT及MOSFET。此外，它的内阻呈正温度系数变化，很容易并联起来使用以作大功率的电源设计。

飞兆半导体亚太区市场营销副总裁蓝建铜提到“受制于制造成本和产品良率影响，目前阻碍SiC产品大规模进入市场的主要原因是价格昂贵，一般是同类Si产品的10倍左右。我个人认为2013年SiC市场将正式启动，在未来2-3年SiC BJT器件有可能首先成为最先被市场接受的产品。在2015年左右SiC器件产品良率将会大幅度提升，价格也将岩蚂液下降，那时SiC产品可能会实现规模应用。”

对于SiC MOSFET与SiC BJT相比有什么优势，SiC MOSFET是在2010年中推出市场的，这期间有不少工程师开始接触到SiC MOSFET，对它的特性也比较了解。SiC MOSFET在使用上，尤其是驱动方面是很接近传统的IGBT，所以取代IGBT占有一些优势。但是SiC BJT的生产成本比SiC MOSFET来得高，长期而言，哪一类的SiC解决方案会被市场接受将会取决于成本。此外，许多设计工程师也关注SiC MOSFET栅极氧化层（oxidation layer）在长期工作的可靠性，是有可能会影响器件的工作寿命，而SiC BJT在结构上则没有这个栅极氧化层，在可靠性是没有这个隐忧。

到2022年，SiC MOSFET营收预计可达到4亿美元，超过SiC SBD成为最受市场欢迎的SiC分立器件。与此同时，预计SiC JFET和SiC BJT到2022年的营收将不到SiC MOSFET的一半，尽管它们有可能已实现良好的可靠性、价格和性能。目前终端用户偏好SiC MOSFET，因为成本的问题。但是为了提高产品的性能，SiC BJT将会作为首选。所以目前SiC BJT供应商目前面临的一个主要挑战是如何教育他们的潜在客户接受这些新的技术。

GaN是一种宽带隙材料，可提供类似SiC的性能特色，但有更大的成本降低潜力。这一性价比优势是有可能实现的，因为GaN功率器件可在硅衬底上生长出来，与SiC衬底相比，它的成本更低。GaN在600V/3KW以下的应用场合比较占优势，并有可能在这些应用取代MOSFET或IGBT，这些应用包括微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS。由于全球经济的不景气和SiC的价格下降幅度并不如预期的大，SiC和GaN功率器件需求市场近几年并没有出现强烈增长。与之相反，业界对GaN技术的信心开始增长，因为更多的半导体供应商宣布了GaN开发计划。例如，Transphorm已经成为第一家。决定GaN功率器件未来市场增长速度的关键因素是GaN功率器件的成本和性能多快做到与硅MOSFET差不多的水平，CNT预计这有可能要到2019年才能实现，一旦2019年业界能实现这一点，我们预计2022年的GaN功率器件需求市场将超过10亿美元。GaN发展之路才刚刚开始，以品质因数RQ代表的基本器件性能将得到根本性的提升。随着人们对材料和工艺的进一步了解，在今后三年内性能极有希望提高2倍，在今后10年内有望提高10倍。

ST—— 基于Stellar P的多合一动力域控制器解决方案

在2023慕尼黑上海电子展，ST公司展出了一系列创新方案，包括可持续发展、智能出行、电源&能源、物联网&互联四大板块的产品和智能解决方案，体现了公司的技术创新实力。

随着汽车电气架构模式向软件定义汽车的新模式转变，传统的机械集成动力域架构正在向多合一的电气集成转变。

ST展出的多合一动力域控制器系统解决方案，具备软件模块化的开发特点，配合整车FOTA功能，可以不断提升动力系统的性能。这一解决方案集成了主驱逆变器、车辆控制单元（VCU）、电池管理单元主板（BMU）、车载充电器（OBC）和DC/DC转换器等部件，实现了高度集成，提升了功率密度，减少了高低压连接器，同时优化了硬件BOM和软件开发维护成本。

通过Stellar P系列汽车MCU，ST的多合一动力域控制器实现了高性能的控制，除了高性能的MCU Stellar P系列，ST还提供了一系列新一代极具竞争力的产品，包括为MCU供电的SBC SPSBxxx系列、VIPower M07/M09智能开关产品系列、ST下一代BMS产品矩阵、在OBC-DCDC和inverter上的高性能栅极隔离驱动器以及第三代SiC功率产品。

多合一动力域控制器的主要难点在于将多个独立的ECU集成到单个ECU中，由单个MCU控制所有部件。通过使用高性能的Stellar P6 MCU，Stellar系列提供丰富的模块资源以满足不同应用的需求。Stellar P6支持Hypervisor，具备虚拟化和硬件级隔离能力，内置15MB code flash，支持OTA功能，能够实现软件烧写、编程的速度提升。

ST的多合一动力域控制器解决方案具有硬件层面、软件算法层面、工具链层面以及满足不同客户定制化需求的优势。硬件层面，ST的方案采用高度集成，尺寸缩小，优化成本；软件算法层面，提供了旋转变压器的软件解码方案，减少开发工作量；工具链层面，用户只需一套软件工具链即可开发和维护产品，降低成本；满足客户定制化需求，ST提供系统级解决方案，支持不同类型的应用。

ST新能源汽车技术创新中心拥有本地技术团队，提供全方位的技术支持，包括硬件、软件、功能安全等方面，为OEM和Tier 1提供全方位服务与支持，包括系统架构设计、定制的系统解决方案、芯片级和系统级技术支持、设计和开发验证支持，以满足客户不同阶段和需求。

替代案例，导入极海，小华和中微半导体等实现方案优化

MCU替代成为技术发展的新趋势，同时也是市场竞争的体现。这一项目由老板推动，旨在降低成本，将主控IC集中到两个原厂，以提高研发效率。这些并非研发工程师主动追求的目标。我爱方案网通过协同FAE资源，发展原厂方案商生态，有效支持设备终端客户快速导入替代方案。利用方案商资源进行替代设计，向设备终端客户提供PCBA/Open BOM方案，使设备制造商专注于行业应用，无需编程和电路调试。

我们采用工程迭代法，首先进行MCU替代、设计和测试，成功后继续进行模拟器件、隔离器和存储器替代，不断优化，将原厂产品设计融入其中。我们有方案商积极配合，如同一个庞大的研发机构，需求一出即可启动项目，交付有保障。我们将分享我爱方案网与战略投资方远大创新推动极海、小华和中微半导体等原始设计和替代的路径。

MCU是替代的核心。

极海半导体拥有三大主线产品：通用MCU、国密安全MCU和车用MCU。

APM32系列是通用MCU，也是极海的主力产品。它在“智慧能源”、“汽车电子”、“工业控制”和“消费电子”四个领域拥有较高的市场占有率和客户认知度。该系列新品包括工业级互联型APM32F107/F105系列MCU，以及即将推出的电机控制领域的APM32F035电机专用MCU。

极海半导体是国内较早构建功能安全相关体系的公司，早在2020年就通过了IEC 61508功能安全认证，随后又有多款产品相继通过了IEC 60730软件安全认证、AEC-Q100车规认证，并于今年9月通过了ISO 26262功能安全管理体系认证。

未来新品方面，极海半导体的首款数模混合SoC BMP1601备受关注，主要面向安全电压等级的锂电池BMS市场，是一款5～16串的AFE芯片，支持20余种多样化保护功能。该产品既能与MCU配合使用，也可单独保护使用，适用于家庭储能、基站UPS、便携式储能以及两/三轮车换电等应用领域，通过特殊级联设计方案还可应用于高电压工业储能系统中。

在BMS领域，极海半导体将其进一步细分为四个市场：两/三/四轮车换电和5G基站、家庭储能和便携式储能、小家电和电动工具、汽车和大型储能。

BMS产品与技术的可靠性与安全性是整机企业的重点关注所在。作为BMS控制电路中的计算平台，MCU需要满足高效率、高灵活性、快速响应及低风险等核心需求。在极海半导体的BMS应用方案中，考虑到MCU在BMS整体解决方案中对电池保护、充放电过程的设计布局，采用充电完全关断技术，实现精准评估电池能效并优化参数等功能，解决电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。

极海半导体最新双模蓝牙5.2无线MCU GW3323产品也是一个替代热点产品，由于其SoC特性，节省PCB空间，可靠性高，成本也低。

设计替代案例。

我爱方案网远大创新成功导入替代方案包括消防应急照明与疏散指示、公交刷卡控制器、继电保护器、逆变器、产线采集器终端、产线采集器路由、车标氛围灯等，未来在替代方向是伺服驱动器平台、微型光伏逆变器、热敏打印机、充电桩、编码器、吸尘器动力与控制系统、户外电源、乘用车BMS电源管理等领域。

本次替代案例用到的产品是基于Arm Cortex 内核的32位MCU，包括：APM32F003、APM32E103、APM32F407等。欢迎加入原厂方案网生态圈，可免费申请样片，方案商得到原厂资源，终端客户得到原厂与方案一体化服务。

案例一：消防应急照明与疏散指示系统。

消防应急照明和疏散指示系统是一种辅助人员安全疏散和消防作业的消防系统，其主要功能是在火灾等紧急情况下，为人员安全疏散和灭火救援行动提供必要的照度条件和正确的疏散指示信息。

电路框图：替代主体APM32E103RET6，配合华润微和中微OTP MCU。

案例二：车标氛围灯。

让车辆夜间醒目，方便安全驾驶，提升车辆档次。

电路框图：替代主体APM32F003F6P6，HC32L110C6PA。

案例三：公交刷卡控制器。

支持国密编码，车载刷卡机，能读写公交卡。

电路框图：替代主体APM32F407RGT6。

这些案例分享都是实测过可出货的方案，欢迎工程师提交需求或申请样片。

我需要方案资料：消防应急照明与疏散指示系统、车标氛围灯、公交刷卡控制器、其它。

我需要极海产品信息：APM32E103RET6、APM32F003F6P6、APM32F407RGT6、APM32F035（专用电机驱动）、BMP1601（MBS控制器）、其它。

姓名、手机、职能、公司名称。

请填写需求信息表，申请免费样片。

加入生态圈，我们即可与您联系。

点击填写需求信息表。

来源：我爱方案网 链接：52solution.com/。

湖北仙童科技有限公司 高端电力电源全面方案供应商 江生 13997866467