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航顺HK32AUTO39A——车载娱乐系统优化方案“芯”选择
车载娱乐系统,顾名思义最开始其功能主要是为驾驶员和乘客提供娱乐体验,但现在智能座舱时代到来,车载信息娱乐系统已成为“人-车-环境”交互的重要载体,是除了驾驶以外的其他任务的中心。   从功能模块上看,车载娱乐系统从收音机、多媒体娱乐、音视频通讯和车辆控制等重要功能于一身。甚至,在可预见的未来,车载娱乐系统内容和功能的丰富程度将媲美个人手机、电脑及平板,成为又一个互联网智能终端。 航顺HK32AUTO39A——车载娱乐系统优化方案“芯”选择 整个车载娱乐系统复杂度极高,主处理器的性能对系统运行速率影响较大,在这类主控芯片的选择上需注意减少设计漏洞,避免资源浪费以有效控制成本。 航顺车规级SoC HK32AUTO39A家族具有稳定可靠、性能卓越以及超高性价比等优势,已成功进入主流新能源汽车车载娱乐系统MCU供应链。 HK32AUTO39A家族采用高性能的ARM Cotex-M3/M0内核和最新的工艺制程,内置高速Cache总线以及最大512K FLASH、96K SRAM, 这为代码处理和运算能力提供了强大的支持。 HK32AUTO39A内置了CAN控制器,通过结合外部CAN收发器可以连接到CAN通信总线上,实现与其他ECU的信息交互。同时,HK32AUTO39A还拥有丰富的外设配置。 HK32AUTO39A-3A通过了严格的AEC-Q100可靠性和安全性认证,且产品品质符合零失效(Zero Defect)的供应链质量管理标准ISO/IATF 16949规范。今年,航顺芯片通过汽车功能安全ISO26262 ASIL-D最高等级流程认证。此外,产品支持-40℃~125℃的环境温度,具有15年的设计寿命。 乘势而上创新绩 奋楫逐浪向未来 随着智能驾驶的逐渐普及,车载系统屏幕将不仅仅是信息娱乐内容的展示窗,还夺取更多智驾相关的功能。预计到2025年,中国L2及以上智能汽车销量破千万辆,占中国汽车销量的49.3%(数据来源:汽车之家研究院)。 在此大趋势下,航顺芯片深入了解主机厂商车载娱乐系统的需求,提高产品定义与设计前瞻性,同时利用自身的算法与软件技术积累与理解,为主机厂商供应更具性价比的车载娱乐系统SoC,帮助主机厂实现更高效的开发功能开发。
国内IDM半导体龙头企业华润微电子授权飞捷士代理
过去一年,全球半导体市场处于震荡调整期,消费类需求呈现低迷现象,但工控和新能源终端需求却保持高增长。   作为国内领先的IDM半导体龙头企业,华润微电子(688396)近年来聚焦工控、汽车电子等优质赛道进行深度布局,与多家头部主机厂、头部Tier1厂形成战略合作,推出几十颗功率类和驱动类车规级产品,批量应用于动力、底盘、车身、辅助驾驶等整车应用场景。   2023年12月,华润微电子又发布多款安全MCU、电机控制MCU和IPM等集成电路新品。   为进一步扩大在工控、新能源和汽车电子等领域的IC产品应用和影响力,华润微电子旗下事业部——华润微集成电路(无锡)有限公司(下称“华润微”)授权深圳市飞捷士科技有限公司代理旗下功率IC、和IPM产品,并提供开放式晶圆制造和封装测试等制造服务。   具体来看,功率IC主要包括AC-DC、电源管理IC和电机驱动IC等,拥有丰富的白电和工业级标准产品,可靠性高,适用性强,广泛应用于空冰洗等白色家电和低压电器领域。     经过多年的持续研发投入,华润微IPM产品线已涵盖小功率全桥IPM、小功率半桥IPM和中大功率IPM,根据不同应用还可提供智能功率IPM模块(如家电领域)、低压全桥栅极驱动电路、高压半桥栅极驱动电路和单路低侧栅极驱动电路等产品。   CS57304S是一款高压高速功率半桥驱动电路,主要应用于驱动N型MOS或IGBT功率器件的系统。   该电路内置了欠压保护功能防止功率管工作于低的控制电压下;逻辑输入端兼容标准CMOS或LSTTL输出,最低可到3.3V。   为保证产品可靠性,CS57304S还内置防直通设计以及死区时间;输出驱动包含高脉冲电流缓冲级设计来减少驱动管直通;电路还内置自举二极管BSD,简化了外围电路设计;高压悬浮通道可用于驱动600V高压的N沟道功率MOSFET或IGBT。   目前,华润微电子产品已广泛应用于消费电子、家用电器、物联网、便携式智能医疗硬件、新能源、工业、智能控制、智能电网、电动汽车、基站、无人机等领域。   未来,华润微电子将携手飞捷士,共同为下游用户提供高精尖的IC产品,提升在伺服器、变频器、电冰箱压缩机和逆变器等领域的应用。   除丰富的IC产品线之外,华润微在智能制造领域也颇有建树。   在制造工艺平台方面,华润微0.11微米BCD技术平台已经获客户产品验证,0.15微米数字BCD技术平台开始推向市场,0.18微米模拟BCD技术平台已达国际先进水平。   在封装方面,华润微智能功率模块封装在上半年处于满产状态,开发的新型IPM封装产品开始量产。   此外,华润微前期开发的新型封装形式(LFPAK、TOLL、TO247等)也已经面向光伏、储能领域实现批量生产。   华润微电子高可靠的IC产品矩阵,将满足下游工业、家电和汽车电子等领域的产品研发创新需求,而其IDM模式也将为硬科技企业提供稳定安全的供应保障,进一步缩短产品上市进程。   ​深圳市飞捷士科技有限公司是专业的半导体器件分销商,主要代理国产知名品牌电子元器件软件方案等产品。经营产品包括IC、IGBT单管/模块、 场效应管、快恢复肖特基二极管等全线无铅产品,其广泛应用于LED驱动电源、数字电视、汽车电子、电机调速、变频伺服器、电脑及周边产品、通讯设备等各个行业。作为专业的国产半导体器件专家,飞捷士一直致力于为广大客户提供半导体配套产品及前卫的解决方案。为客户提供从产品资料,产品选型供应保障及物流服务等专业服务。  
SiC+GaN已成国际大厂标配,本土企业可否一战?
随着瑞萨电子在1月11日宣布完成对氮化镓(GaN)功率半导体供应商Transphorm的收购,目前,国际主流芯片大厂,包括英飞凌、意法半导体、瑞萨电子、纳微半导体、罗姆、PI等,在宽禁带(WBG)半导体器件布局上均采取了“双管齐下”的策略,即同时关注碳化硅(SiC)和氮化镓。 先让我们简单回顾一下这些头部芯片公司在宽禁带半导体领域的最新布局情况: 英飞凌 2023年10月,英飞凌宣布完成对氮化镓系统公司(GaN Systems)的收购,双方强强联合之后将形成丰富的GaN产品组合(尤其是在中高压GaN单管和集成产品组合,包括驱动器和控制器等系统元件方面)、行业领先的GaN IP和雄厚的研发力量。此外,两个自有生产基地结合强大的晶圆代工合作伙伴,制造能力也将得到进一步增强。 而在SiC领域,英飞凌则希望凭借在SiC原料供应、冷切割(Cold Split)技术、优异的沟槽工艺、一流的内部封装解决方案等方面的优势,在2030年末占据全球SiC市场30%的市场份额,成为该领域的领导力量。 意法半导体 ST目前在全球碳化硅MOSFET市场份额已超50%。意法半导体执行副总裁、中国区总裁曹志平不久前在接受媒体采访时指出,今后三年,ST在SiC领域有三个工作重点:第一,将生产线升级到8英寸晶圆;第二,落实碳化硅供应链垂直整合策略,包括正在卡塔尼亚工厂建造的碳化硅衬底综合厂,将碳化硅衬底内部供应量占比提升到40%;第三,与Soitec合作在8英寸晶圆上采用SmartSiC技术。 他同时指出,尽管与SiC技术相比,现有氮化镓技术主要用于消费电子产品,产量较低。但ST非常看好氮化镓技术的未来前景,将在氮化镓应用领域复制公司在碳化硅市场的成功故事。为此,ST正在公司内部和外部布局并建设重要的基础设施,以应对工业和汽车行业在电动化和数字化转型过程中对氮化镓的需求增长。 纳微半导体 2022年8月,纳微半导体(Navitas Semiconductor)正式并购GeneSiC公司,构建起了以GaNFast+GeneSiC为代表的第三代功率半导体“双引擎”战略。此后,该公司还并购了专注于数字隔离器开发的比利时VDD TECH公司,并于2023年1月与广东希荻微电子达成协议,获得希荻微拥有并经授权使用的与硅控制器相关技术许可。至此,纳微实现了对从电压等级40V到6500V,功率等级20/30瓦到兆瓦级应用场景的全覆盖。 与ST、安森美、英飞凌等IDM厂商不同,纳微半导体在SiC上选择了更加灵活的商业模式,与包括X-fab在内的12家以上的不同伙伴展开了合作,以确保产能和交付能力。按照Navitas方面的说法,碳化硅行业的瓶颈仍然是在衬底侧,不但占据总成本的45-50%,还要考虑良率、缺陷、封装、器件设计等多个要素,需要整个产业链共同努力解决。 公司2023年第三季度财务业绩显示,其总收入达到2,200万美元,较2022年第三季度的1,020万美元增长115%,较2023年第二季度的1,810万美元增长22%。 瑞萨电子 根据行业研究,GaN的需求预计每年将增长50%以上。因此瑞萨收购Transphorm的目标也很明确,就是希望利用其在GaN方面的专业知识,进一步扩展自己的宽禁带产品阵容。接下来,瑞萨将采用Transphorm的汽车级GaN技术来开发新的增强型电源解决方案,例如用于电动汽车的X-in-1动力总成解决方案,以及面向计算、能源、工业和消费应用的解决方案。而在SiC领域,瑞萨已宣布建立一条内部SiC生产线,并签署了为期10年的SiC晶圆供应协议。 罗姆 单就SiC市场,罗姆销售目标是在2025年度大于1100亿日元的销售额。预计2024-2026三个年度,有近9000亿日元的市场待开拓。为了实现这样的目标,罗姆正不断进行SiC方面的投资,预计2021-2025这五年投入1700-2200亿日元。 GaN方面,2022年3月,罗姆确立了栅极耐压高达8V的“150V耐压GaN HEMT”的量产体系,并将该系列产品命名为“EcoGaN™”。同年5月,罗姆和台达电子就GaN功率器件的开发与量产缔结战略合作伙伴关系,双方将利用彼此优势联合开发适合更多电源系统的600V耐压GaN功率器件。2023年4月,罗姆650V GaN HEMT产品系列面世,重点面向电源和电机市场。 如何打造本土差异化竞争优势 这种“双管齐下”的策略给企业带来的竞争优势是不言而喻的,其中包括能够借助在一种技术上的积累沉淀助力另一种技术的开发,以及向客户和市场提供各种功率电子产品,实现优势互补。而且,在系统级应用中同时使用硅、SiC和GaN技术可以实现更高的能效、功率密度和整体性能,有助于功率电子系统瘦身减重,更易于集成到各种应用中,且成本适当。 与国外大厂普遍采用IDM模式不同,国内相关产业目前仍以Fabless模式为主,更强调应用创新。那么,国内企业要不要也尽快采用IDM模式?该如何打造出属于自己的差异化竞争优势? 上海澜芯半导体创始人兼总经理马彪此前在参加2023年第三届临港国际半导体大会时指出,国外大厂采用IDM模式有自己的历史原因,也确实给自己带来了竞争优势,无论是成本、出货量,还是制造、封装、应用,加之比较高的技术护城河,都给本土企业带来了压力。 另一方面,如果从碳化硅器件的角度来看,性能、可靠性和成本是行业最为关注的三大特征。但与国外大厂相比,他们比起步早、布局广,沟槽型器件的可靠性验证进行过多次。相比之下,国内平面型器件在汽车上的验证资源比较少,可靠性方面(包括器件设计、制造工艺、产品缺陷率、封装适配性)也需要继续提升,这些都是面临的实际挑战。 因此,他认为,要想尽快追赶上国外大厂,并最终打赢这场仗,至少要做到以下三点:第一,要比欧美企业更加勤奋;第二,集中资源打磨更有竞争力的产品,缩短流片时间,加速产品迭代;第三,应用端多给本土企业一些机会,这是双赢的结局,所以产业链要抱团取暖。 AOS产品应用中心总监张龙也倾向于走IDM这条路。在他看来,一家功率半导体企业做到一定阶段之后,如果想要继续做大做强,形成自己的专利壁垒,IDM这条路是一定要走的。毕竟功率半导体专利跟设备、工厂、流程是紧密联系在一起的,很难靠别家工厂长期做下去,尽管这条路走起来比较艰辛。国内市场的优势之一就是反馈循环比较快,所以本土企业间一定要抱团,分散的小公司很难形成有效的研发实力,更没有和国际头部大厂直接竞争的能力。 威睿能源电驱业务电驱产品总监刘波则从整车厂的视角进行了分析解读。“整车厂首先关注供应链企业的供应能力、研发能力和财务状况,如果不达标,就会遭到淘汰。“因此,国际芯片大厂的确是通过强强合作,通过质量和成本锁定客户,国内未来也会逐渐趋向头部效应,通过锁定上下游合作带来更强的成本优势和供应能力。 “国产IGBT现在之所以能占据50-60%的市场份额,就是因为能在确保产品质量的前提下保证车厂供应,满足了车厂的核心诉求。”刘波说。 目前来看,虽然国产宽禁带功率半导体器件从工艺水平来看仍然与国际领先水平相差至少一代,但国内碳化硅产品的封装水平完全没有问题,服务响应速度也比国际大厂快。考虑到2024年是对宽禁带半导体供应链的压力测试之年,对国内设计公司来说,不仅仅要设计出电学性能出色的产品,更要强化从质量管理体系到供应链管理体系的建设,这是一个系统性的工程,必须要花大力气。只有如此,本土产品才能以更好的性能和可靠性,更稳定的生命周期供货,赢得用户的信心。   深圳市飞捷士科技有限公司是专业的半导体器件分销商,主要代理国产知名品牌电子元器件软件方案等产品。经营产品包括IC、IGBT单管/模块、 场效应管、快恢复肖特基二极管等全线无铅产品,其广泛应用于LED驱动电源、数字电视、汽车电子、电机调速、变频伺服器、电脑及周边产品、通讯设备等各个行业。作为专业的国产半导体器件专家,飞捷士一直致力于为广大客户提供半导体配套产品及前卫的解决方案。为客户提供从产品资料,产品选型供应保障及物流服务等专业服务。
航顺芯片车规MCU快速扩张,加快布局高阶汽车应用
随着汽车产业朝着电动化和智能化趋势推进,车规MCU的市场需求持续增长。尤其是电动汽车,每一个功能实现都需要复杂的芯片方案支撑——例如汽车门窗控制、倒车刹车辅助系统、汽车空调、倒车雷达、多媒体信息娱乐等功能的控制。 全球车规级MCU芯片行业发展历程(资料来源:前瞻产业研究院) 作为头部MCU厂商,航顺芯片制定了车规SoC+高端MCU超市双战略,基于自身32位MCU研发实力,加速航顺车规SoC的产品布局,实现在汽车电子领域的快速扩张。 2021年~2023年航顺芯片陆续先后推出车规SoC产品:HK32AUTO39A和HK32A040系列,并成功进入车规级微控制器市场,在东南、东风、中兴、金康、柳汽等车厂部分车型的车身域和座舱域广泛应用。 航顺芯片结合工业和汽车行业的发展深度挖掘行业和客户需求,规划了未来产品方向——覆盖车身、网关、智能座舱、人工智能和自动驾驶等高阶控制。 HK32AUTO39A和HK32A040系列产品已通过汽车前装市场的导入和测试验证,经过几轮产品迭代,2022年正式通过了汽车电子产品严苛的AEC-Q100 可靠性和安全性认证。同时,产品品质符合零失效(Zero Defect)的供应链质量管理标准ISO/IATF 16949规范。 AEC-Q100认证 经过长达半年的培训,航顺芯片今年又通过了汽车功能安全ISO26262 ASIL-D产品设计流程认证,开始布局安全等级最高车规级微控制器产品,给汽车厂商们更具性价比更高性能的选择。 航顺芯片通过汽车功能安全ISO26262 ASIL-D最高等级认证 随着汽车功能复杂度提高,MCU将需要支撑更高端的汽车应用场景,这就要求MCU具备更强的算力、更大的资源以及更高的功能安全等级和信息安全。航顺芯片将会加大人才和研发投入,突破技术难点,提升CPU的算力,提供符合应用场景的关键芯片功能模块,并保证整个系统达到最高的功能安全等级和符合国际及国内标准的信息安全。
IGBT搭乘新能源快车打开增长空间天花板
1、功率半导体根据集成度可以分为分立器件中的功率器件和集成电路IC中的功率IC两个大类。 半导体产品的分类是一个十分复杂困难的过程,国际上多种分类方法都不可能完美区分出来各种产品种类与规模,目前较多采用WSTS(世界半导体贸易协会)的分类方法。 在下图的半导体产品中,功率半导体是包含了功率器件与功率IC两大类,功率IC相对来说集成芯片的小功率、小电压产品,功率IC集成度较高,是指将高压功率器件与其控制电路、外围接口电路及保护电路等集成在同一芯片的集成电路,主要应用于手机等小电压产品。 功率器件包括二极管、晶体管和晶闸管三大类,其中晶体管市场规模最大,晶体管又细IGBT、MOSFET双极型晶体管等。功率器件是指体积较大,用来处理较大功率、大电压的产品,IGBT属于功率器件的一类产品。 IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管,是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。 下图显示了一种N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。IGBT是一个三端器件,正面有两个电极,分别为发射极(Emitter)和栅极(Gate)背面为集电极(Collector)。 IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通;反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT关断。 IGBT是功率半导体中的核心器件,兼具MOSFET 及 BJT 两类器件优势,驱动功率小而饱和压降低。 金氧半场效晶体管(MOSFET)输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快;而双极型三极管(BJT)饱和压降低,BJT更强调工作功率,MOSFET更强调工作频率,因此IGBT兼有以上两种器件的优点,性能优势显著。 功率半导体的两大功能是开关与电能转换,主要可以依据工作频率与功率大小将功率半导体分为不同类型,IGBT属于功率半导体领域中高电压低频率应用的一种。 功率器件通过调节改变电子元器件的功率来实现电源开关和电能转换的功能,主要体现在变频、整流、变压、开关等方面。其应用范围广泛,包括工控、风电、光伏、电动汽车与充电桩、轨交、消费电子等领域。 IGBT属于其中偏向高电压、中低频率应用场景的一类产品。一般低压IGBT常用于变频白色家电、新能源汽车零部件等领域;中压IGBT常用于工业控制、新能源汽车等领域;高压IGBT常用于轨道交通、电网等领域。 IGBT通常应用形式是模块或者单管,内部的核心组件就是IGBT芯片。 如下图所示的IGBT模块型号为:FF1400R17IP4,模块的长宽高为:25cmx8.9cmx3.8cm,模块内部包含两个IGBT模组,也就是我们常说的半桥模块。IGBT模块内部主要包含3个部件,散热基板、DBC(Direct Bonding Copper-直接覆铜陶瓷板)基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片),其余的主要是焊料层和互连导线,用途是将IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来。 DBC的主要功能需要保证硅芯片和散热基板之间的电气绝缘能力以及良好的导热能力,同时还要满足一定的电流传输能力。DBC基板类似2层PCB电路板, DBC常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)。如下右图所示,半桥结构 IGBT模块内部有6个DBC,每个DBC上有4个IGBT芯片和2个Diode(二极管)芯片。无论是内部的芯片还是最终形成的模组,IGBT的每一个环节技术壁垒均较高。 IPM(Intelligent Power Module,智能功率模块)是一种功能强大的集成电路模块,可以用于控制和驱动高功率电子设备,如交流电机驱动器、变频器、逆变器等。 由于IGBT器件的固有特性,当出现过流、短路、过压时如不能及时保护,往往在十几微秒乃至数微秒内就会导致IGBT损坏,造成电力变换系统停机事故。 为了解决IGBT在驱动保护、可靠性方面的不足 IPM把驱动和多种保护电路封装在同一模块,IPM应用过程中,不再需要用户自己设计驱动保护电路,IGBT的驱动及保护由IPM内部电路来完成。IPM模块通常包括一个功率MOSFET、IGBT(绝缘栅双极晶体管)或SiC(碳化硅)等开关器件,以及一个驱动电路,用于控制这些开关器件的导通和截止。 此外,IPM模块还通常集成有电源电路、电流和电压传感器、过温保护和短路保护等功能,可以提供全面的保护措施,以保证高功率电子设备的安全和可靠性。 IGBT应用范围按照领域的不同主要可以分为三大类:消费类,工业类,汽车类。IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器;IGBT模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车(电机控制器、车载空调、充电桩)等领域;而IPM模块应用于变频空调、变频冰箱等白色家电产品。 相比工控与消费类IGBT,车规级IGBT对产品安全性和可靠性提出更高要求。 作为汽车电气化变革的关键制程,IGBT产品在智能汽车中具有不可替代的作用。由于汽车电子本身使用环境较为复杂,一旦失效可能引发严重后果,所以市场对于车规级IGBT产品的要求要高于工控类与消费类IGBT产品。对比之下,车规级IGBT对于温度的覆盖要求更高、对出错率的容忍度更低且要求使用时间也更长、工艺处理和电路设计方面对可靠性和散热性要求更高。 具体体现为: 1)车规级 IGBT 的工作温度范围广,IGBT 需适应“极热”、“极冷”的高低温工况;2)需承受频繁启停、加减速带来的电流冲击,导致 IGBT 结温快速变化,对 IGBT 耐高温和散热性能要求更高;3)汽车行驶中可能会受到较大的震动和颠簸,要求 IGBT 模块的各引线端子有足够强的机械强度,能够在强震动情况下正常运行;4)需具备长使用寿命,要求零失效率。 2、IGBT技术不断迭代,产品推陈出新 IGBT产品的技术路径在于不断降低导通损耗、降低开关损耗、提升安全工作区这样三个相互矛盾的方面来进行。 IGBT产品作为一个商业化的产品,长期目标是不断提升性能,同时不断降低成本。 能够评价IGBT性能的指标有很多个,比较关键指标有三个,其一是降低开关损耗,是指在满足高频率的开关功能条件下,提升转换能量效率;其二是导通损耗,是指电路导通后降低热损耗,提升电能转换效率;其三是提升安全工作区,是指尽可能保证器件在更大的温度、电压、电流范围内稳定工作。 除了以上三个核心维度之外,提升电流密度、提高阻断电压、提高结温、减少耗材等性能指标也很重要。通常来说,各个产品性能指标之间是相互矛盾的,同时提升所有性能指标是理想的目的,长期来看是可以实现这一过程的,但短期设计过程往往需要根据下游应用侧重考虑某些重要指标。 IGBT经过30余年的不断发展,整体性能不断提升,核心指标来看,功率密度已经提高了3倍,能耗不断降低只有刚开始的1/3,IGBT的新技术依然在不断迭代中。 IGBT栅极结构从平面栅向Trench沟槽型结构发展,再发展到最新的微沟槽型。 在平面栅IGBT中,在电子流通方向上,包含沟道电阻Rkanal,JFET电阻RJFET,与漂移区电阻Rn-,通过刺蚀将沟道从横向变为纵向,电子沟道垂直于硅片表面,消除了JFET结构,增加了表面沟道密度,提高近表面载流子浓度,从而使性能更加优化。 另一方面,相比于平面栅极IGBT,沟槽IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积,更有利于设计紧凑的元胞,即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞,从而增加导电沟道的宽度,降低沟道电阻。 微沟槽型栅极结构进一步降低沟槽间距至亚微米级,使得沟道密度更高,高密度的沟槽栅能够有效的调节出最合适的电容比率,在开关过程中较小的开关损耗以及较优的开关特性,同时采用了虚拟陪栅结构和非有源区以提高元胞通态时发射极端载流子浓度。 IGBT纵向结构发展方向从带缓冲层的PT型发展到NPT型再到FS型。 PT型使用重掺杂的P+衬底作为起始层,在此之上依次生长N+buffer,N-base外延,最后在外延层表面形成元胞结构。工艺复杂,成本高,饱和压降呈负温度系数,不利于并联,在80年代后期逐渐被NPT取代,目前IGBT产品已不使用PT技术。 NPT与PT不同在于,它使用低掺杂的N-衬底作为起始层,先在N-漂移区的正面做成MOS结构,然后用研磨减薄工艺从背面减薄到IGBT电压规格需要的厚度,再从背面用离子注入工艺形成P+collector。 在截止时电场没有贯穿N-漂移区,NPT不需要载流子寿命控制,但它的缺点在于,如果需要更高的电压阻断能力,势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层,这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升,从而大幅增加器件的损耗与温升。 为了进一步调和衬底厚度、耐压和通态压价增大的矛盾,体结构缓冲层的电场截止(FS)被提出,当背面减薄后,先制作一层重掺杂的N型电场截止层,使得硅片更薄。 IGBT芯片随着每一代产品的升级,各项性能指标均有提升,考虑成本后,当前性价比较高、应用广泛的是第四代产品。 如下所表示,全球IGBT龙头企业英飞凌有史以来诞生了七代不同的产品,每一代产品在结构上有较大的差异,在关键性能指标上也都有较大的提升,相对来说越是先进的产品,性能效果越高,能够将产品研发到第几代技术,某种程度上也说明了企业在绝对技术上的研发实力。如果考虑到成本等因素,IGBT目前性价比较高的产品属于第四代产品。   3、新能源汽车市场成为IGBT增长最充足动力 新能源汽车市场快速发展,从2021年以来,市场销量呈爆发式增长态势。 根据中国汽车协会数据,2021年中国新能源车销量达到352.1万辆,同比增速为157.57%,2022年持续大幅增长达688.7万辆,同比增长95.60%,2019-2022年CAGR达到78.74%,增速处于高位,2023年市场余热未消,继续保持增长势头,可以预见,未来几年新能源车市场将一直处于繁荣上升期,高景气度持续。 IGBT是电动汽车和直流充电桩等设备的核心器件,直接影响电动汽车的动力释放速度、车辆加速能力和高速度,相对来说汽车认证周期高达3-5年。 IGBT主要应用于电动汽车电机驱动、DC/DC升压变换器、双向DC/AC逆变器,以及充电端的DC/DC降压变换器。对于电动控制系统,作用于大功率直流/交流(DC/AC)逆变后汽车电机的驱动;对于车载空调控制系统,作用于小功率直流/交流(DC/AC)的逆变;对于充电桩,在智能充电桩中被作为开关元件使用。 IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。汽车IGBT的技术认证标准极高,IGBT要进入到汽车供应商行列,需要满足新汽车级标准LV324/AQG324的要求,同时还要满足中国IGBT联盟和中关村宽禁带联盟等团体标准。认证指标中主要体现在温度冲击、功率循环、温度循环、结温等与全生命周期可靠性。 最后,汽车IGBT还要通过终端汽车客户的认证,一般来说,认证周期在3-5年。 新能源汽车IGBT市场规模测算: 模型假设: (1)全球和中国汽车总销量2023、2024年分别保持2%和5%左右低速增长,与全球和中国经济增速保持一致,2025、2026年市场较为饱和,增速放缓;(2)全球新能源汽车销量与全球知名电动汽车市场研究网站保持一致,中国新能源汽车销量与我国国家发展工作规划保持一致;(3)根据ICV报告中数据,2022年新能源车单车IGBT价值量为1902元,随着新能源汽车电动化程度加深,IGBT单车价值量维持缓慢增长。 我们根据IGBT单车价值量、全球与中国新能源汽车销量数据,测算出2026年全球新能源汽车IGBT市场规模有望达到655.72亿元,中国新能源汽车IGBT市场规模2026年有望达到亿407.84亿元,2022-2026年CAGR为32.84%,IGBT在新能源汽车应用市场保持较高增速。 新能源发电前景广阔驱动IGBT增长 IGBT是光伏逆变器的“心脏”,在光伏领域中市场需求提速较快。 IGBT等功率器件作为光伏逆变器、风电变流器及储能变流器的核心半导体部件,对电能起到整流、逆变等作用,以实现新能源发电的交流并网、储能电池的充放电等功能。 其中光伏逆变器是最主要的应用场景,光伏IGBT对于可靠性的要求非常高,新能源发电输出的电能需要通过光伏逆变器将整流后的直流电逆变为符合电网要求的交流电后输入电网,这种线路需要将IGBT模块性能的可用性实现最大化以保持电网的稳定性。 新能源发电主要包括风电、光伏、储能三部分,目前风光储装机量大幅提升,发展势头强劲,同时带动IGBT需求增长。 光伏逆变器原材料主要由结构件、电感、半导体器件等构成,半导体器件和集成电路材料主要为IGBT元器件、IC半导体等。 在碳中和背景下,光伏和风力等新能源的应用已成为指向标,中国光伏发电新增装机容量趋势保持逐年上升态势,根据国家能源局数据,2023年1-8月份光伏装机容量跳跃式增长至11316万千瓦,超过2022年全年新增装机容量8741万千瓦,随着光伏装机量的持续增长,对IGBT的需求也迅速攀升。 逆变器中IGBT等电子元器件使用年限一般为10年-15年,而光伏组件的运营周期是25年,所以逆变器在光伏组件的生命周期内至少需要更换一次,这也进一步扩大了IGBT在光伏系统中的使用量。 中国光伏逆变器和风电变流器IGBT市场规模测算: 模型假设: (1)全球和国内新增光伏装机量与中国光伏行业协会预测保持一致性,我国光伏行业驶入快车道,而全球发展不确定性因素更高,因此设定同比增速低于我国; (2)光伏组件和光伏逆变器的容配比为1.25; (3)根据SMM数据测算出2022年光伏逆变器单瓦价格为0.20元/W,在降价大趋势下预计2023年降至0.16元/W,在技术迭代与竞争加剧下逐年持续降低,2026年下降至0.13元/W; (4)根据固德威招股说明书IGBT在采购金额中占比数据,我们设定IGBT占光伏逆变器成本比例维持在10%。 我们根据光伏新增装机量预测、光伏逆变器需求量和逆变器单位价格等数据定量分析,测算出全球和国内光伏逆变器IGBT国内市场规模将从2022年的36.80亿元和13.99亿元逐年增长至2026年的71.95亿元和27.30亿元,2022-2026年复合增速分布为18.25%和18.20%。 模型假设: (1)全球风电新增装机量分为陆上和海上两大类,陆上和海上新增装机量与全球风能理事会预测保持一致,国内新增风电装机量与国家发展规划和全球风能理事会预测保持一致; (2)风电变流器2022年单价参考龙头公司招标结果公告为0.17元/W,以后年度保持稳定; (3)根据禾望电气招股说明书功率器件在采购金额中占比,我们设定IGBT占风电变流器成本比例维持在10%。 根据风电变流需求量、单瓦价格,我们测算出全球和国内风电变流器IGBT市场规模从2022年13.19亿元和6.40亿元翻倍增长至2026年的25.53亿元和16.89亿元,2022-2026年复合增长率分别为17.94%和27.47% 国内IGBT市场乘风新能源领域迅速扩张 受益于新能源汽车和新能源发电的需求大幅增加,中国IGBT市场规模将持续增长,根据我们的测算结果的合计,到2026年,中国IGBT市场规模将有望达到685.78亿人民币,年复合增长率达21.48%。 在各下游市场中,新能源汽车市场依然是增速最快的部分,其市场规模2022-2026年复合增速高达32.84%;而新能源发电市场也将获得21.34%的行业增速,成为第二大市场规模增速较高的领域;轨道交通市场的增速也相对较快达17.04%,由于其体量较小,对IGBT市场规模扩张提供的贡献相对较小,但仍然是具有良好发展前景的应用领域;工控市场发展较为成熟,波动较小成为下游市场稳健支撑,工控IGBT市场规模保持稳定增长;变频白电虽然增速最低,但其体量大、应用渗透率高,也是不可或缺的重要助力。 从下游占比来看,2026年预计新能源汽车、工业控制、变频白电、新能源发电、轨道交通分别为60%、18%、15%、6%以及1%。 下游应用领域中规模占比最大的前三大领域始终为新能源汽车、工业控制和变频白电,新能源汽车市场将在双碳政策和技术升级双轮驱动下继续保持旺盛需求,其主导地位未来有望得到进一步巩固,市场占比从2022年的42%有望在2026年提升至60%,占据IGBT市场一半以上的份额。   国产IGBT崛起有望重塑海外寡头垄断格局   4、行业壁垒成为IGBT集中度高的内在因素 技术壁垒 (1)IGBT的核心生产过程也包括芯片设计、晶圆制造、封测与模块设计三个主要部分,各有其技术难点。 芯片设计方面,IGBT芯片由于考虑到处在大电流、高电压、高频率工作环境的特性,对芯片的可靠性要求也相对较高,同时芯片设计需保证开通关断、抗短路能力和导通压降(控制热量)三者处于动态均衡状态,芯片设计与参数调整优化十分特殊和复杂。芯片设计环节的主要技术难点有:1.终端设计在小尺寸满足高耐压的基础上须保证其高可靠性;2.元胞设计实现高电流密度的同时须保证其较宽泛的安全工作区和足够的短路能力。 晶圆制造方面,IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS区别相差不大,其背面工艺较为复杂,要求严苛,主要包括三大技术难点:背板减薄、激光退火、离子注入,通过背面薄片工艺的重复性和一致性来确保批量生产的连续性。 背面工艺是在基于已完成正面Device和金属Al层的基础上,将硅片通过机械减薄或特殊减薄工艺(如Taiko、Temporary Bonding 技术)进行减薄处理,然后对减薄硅片进行背面离子注入,如N型掺杂P离子、P型掺杂B离子,在此过程中还引入了激光退火技术来精确控制硅片面的能量密度。特定耐压指标的IGBT器件,芯片厚度需要减薄到100-200μm,对于要求较高的器件,甚至需要减薄到60~80μm。 当硅片厚度减到100-200μm的量级,后续的加工处理非常困难,硅片极易破碎和翘曲。从8寸到12寸有两个关键门槛:减薄要求从120μm转成80μm,翘曲更严重,背面高能离子注入(氢离子注入),设备单价高。 模块封装方面,分为模块设计、模块制造,其中模块设计包括机械结构设计、电路布局设计、热设计、电磁设计等,一款IGBT模块的开发需要进行机、电、热、磁等方面的优化并兼顾模块工艺的可实现性等方面因素。 模块设计环节的主要难点在于保证可靠性和散热性能: 1.在不影响器件参数的前提下,不同封装形式其工艺路线的设计须保证内部器件的长期可靠性; 2.在保证良好的均流散热等性能的前提下,不同封装形式内部布局的设计须实现低杂散电感并避免内部各器件的相互干扰。 而模块制造则是指根据特定的电路设计,将两个或以上的IGBT芯片和其他芯片贴片到DBC板上,并用金属线键合连接,然后进行灌封或塑封,以满足芯片、线路之间的绝缘、防潮、抗干扰等要求,最后将电路密封在绝缘外壳内,并与散热底板绝缘的工艺。 不同下游应用对封装技术要求存在差异,其中车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件,其封装要求高于工业级和消费级。 与其他半导体不同的是,在封测与模块上IGBT的技术壁垒极高并且拥有较高的毛利率。一般来说,所有的半导体核心工艺都有芯片设计、晶圆代工、封装测试三个环节,相对来说芯片设计的附加值极高。 但是,对于IGBT企业来说,IGBT封测与模块是一个技术壁垒极高的工作,在高电压、大功率的环境下,需要解决很多功能损耗、高温度范围、高压高流等诸多复杂问题,某种程度上来说模块设计也是体现企业的核心价值一部分,一般来说毛利率也相对较高。 市场壁垒 客户认可度是IGBT厂商的主要市场壁垒。 IGBT模块是下游产品中的关键部件,其性能表现、稳定性和可靠性对下游客户来说至关重要,下游客户将供应链安全稳定作为所考虑首要因素,更倾向于和IGBT供应商保持长期合作关系,一旦合作后客户粘性大大提升,变更已有长期合作的供应商的意愿较。 IGBT模块认证周期较长,替换成本高,下游客户会对于新入场的IGBT供应商保持相对谨慎的态度,不仅要考虑供应商的实力,产品还要经过单机测试、整机测试、多次小批量试用等多个环节之后才会做出大批量采购决策,采购决策周期较长。 IGBT模块的验证测试项目繁多,其中可靠性测试最为重要,是客户关注度最高的性能指标。   5、海外龙头主导IGBT市场 从整个IGBT的产业链来看,核心环节几乎都是海外企业为主,但在每一个产业链环节,我国均有企业在积极布局。 IGBT的核心产业链中,我国有多个企业积极参与布局,主要分为Fabless、foundry、IDM三种运作模式。IDM模式即垂直整合制造商,是指包含电路设计、晶圆制造、封装测试、模块等全环节业务的企业模式;Fabless模式是芯片设计与销售经营模式,即企业自身专注于芯片设计与销售,而将芯片制造外协给代工厂商生产制造的模式;Foundry模式主要负责制造生产环节,根据客户的产品设计,采购原材料来进行加工制造。 海外龙头企业多为IDM模式,如英飞凌、安森美等企业,国内IDM模式的公司较少,绝大多数为上市公司,但在全球市场中占据一定的市场份额,如比亚迪半导、士兰微、中车时代电气等公司。 国内主流的芯片生产是采用Fabless的代工模式,典型公司有斯达半导、宏微科技等,而代工厂根据公司提供的工艺流程和设计版图,生产出各项参数符合设计指标的芯片,华虹宏力目前是国内最先进,最全面的半导体功率器件代工厂。 全球IGBT市场呈现出集中度高,海外厂商英飞凌、富士电机、三菱这TOP3大企业占据了超过50%的市场份额。 根据Omdia数据,2021年全球IGBT单管市场中,中国大陆企业只有士兰微进入前十大厂商中,占据4%的市场份额;2021年全球IGBT模块市场中,中国大陆只有斯达半导和中车时代进入前十大厂商,分别占据3%和2%。 国外巨头英飞凌无论在单管还是模块都处于绝对龙头地位,而国内厂商市场份额较低,且只在某一产品上具备竞争优势。 国内厂商和国外厂商存在差距的原因主要是国外厂商成立时间早,比如富士电机成立于1923年,三菱电机成立于1921年,技术积累丰富,同时与海外汽车、工控等大型企业合作十分紧密,在技术与生态上优势显著。 国内的几大厂商主要集中在1997—2005年,技术追赶较慢,产业资源十分稀缺,但国内企业已经完成0-1的技术突破,先从消费级、工业级中低端产品入手逐步打开市场,目前已经有一些企业带来车规级高端产品市场,随着国产化不断深入,国内企业未来迎来加速发展期。 国内IGBT产量稳步提升,国产化率长期不断上升。 根据中商产业研究院预计,2023年中国IGBT产量有望快速增长达到3624万只,自给率也将达到32.90%,近年来,随着我国IGBT技术的不断更新迭代,国产厂商逐步突破产能受限问题,加速产能布局,目前正处于国产替代的增长阶段。 全球海外IGBT企业大多是全球知名的芯片企业,历史悠久,总体收入规模巨大。 我们梳理了全球的IGBT龙头企业,根据下表中的数据可以看出全球龙头标的的一些特征。 全球IGBT龙头企业均为知名芯片巨头企业,这些龙头企业营收规模都在几百亿上千亿元,功率器件只占据业务的一部分,一方面因为功率器件规模相对有限,当企业发展到一定规模后会通过横向发展、协同发展其他芯片赛道业务,另一方面也体现了功率器件与下游客户绑定程度较深,具有半定制化的特征,很难形成寡头垄断格局。 这也给国内企业长期发展提供一定参考,创业期可以专注于功率器件、IGBT业务,后期成长发展可能也需要横向发展与协同发展来扩张企业规模。   6、海外龙头短期内交货周期与价格维持稳定态势 全球半导体周期下行趋势下,短期IGBT全球价格保持相对稳定。 2023年第二季度,海外主要 IGBT 厂商英飞凌及意法半导体交货周期和价格保持平稳态势。交付货期方面,与第一季度相比较,英飞凌货期维持在39-50 周,意法半导体维持47-52 周;价格趋势方面,英飞凌与意法半导体均环比持平。 现阶段下游需求持续高景气度,而上游海外厂商产能释放有限,IGBT市场面临短期内供不应求的状态,这为国产企业提供了机遇。 如今,本土IGBT产品性能已经逐渐成熟,且部分产品性能可对标海外IGBT大厂产品,加速国产化IGBT产品市场渗透,逐步切入高端市场,助力应用新能源车与发电领域的IGBT市场保持向好态势。 国内企业在全球规模较小,海外巨头企业的价格是国内企业产品定价的锚,短期内国内企业产品价格预计保持稳定。 由于国内企业的规模普遍偏小,在全球不具备产品定价权,同类产品上多参考海外巨头产品的价格,在此基础上根据与客户的协商定价。全球巨头产品的价格有所调整,国内企业价格理论上也会同方向上调整。 2021年受到全球缺芯价格影响,国内企业的功率器件产品大幅度涨价,2022年缺芯逐步缓解,价格企稳下降,到目前为止,功率器件的供货周期稳定,价格相对稳定。 7、国内厂商产能逐步释放加速国产替代 国内晶圆产能分布以代工厂产能占据主导,同时多家IDM厂商在自建产线上扩产,生产的晶圆规格主要集中于6、8和12 英寸上,12英寸难度较大产能相对较低。 国内生产IGBT芯片的企业主要有代工厂以及IDM模式的功率器件企业,我们从以下图表可知, Fabless、IDM、Foundry的企业都有扩张产能计划,按照面积初步估算国内企业扩产后的总产能相比于目前产能增加幅度在50%以内,并且产能规划在1-3年内完成,因此我国企业IGBT的总产能增加在全球对比来看依然不高。 产能增长后,企业的产能利用率也有一个爬坡期,最终的销量到客户也需要一个过程。此外,IGBT模块与IPM模块也需要相关的产线来制造,根据斯达半导与宏微科技的公告来看,模块的产能增长相对更加简单,但目前IGBT芯片的自给率都还有空间。 综合来看,我国IGBT芯片的产能扩产相对积极,但总产能在全球占比依然不高,国产化空间依然较大。  
Fe-OLET,开关、发光和存储功能三合一的晶体管你见过吗?
当前AMOLED显示面板正朝着低能耗、大尺寸、超高清等方向发展,对其驱动芯片的像素电路集成度和性能也必然会提出更高的要求。然而,随着摩尔定律逐渐接近理论极限,依靠“微缩”器件尺寸来提升集成度的传统技术也在不断逼近并超越光刻等微细加工技术的极限,使得继续缩小器件尺寸变得日益艰难。如何在有限的芯片面积内进一步提升像素电路的集成度,便成为了行业面临的一个重大挑战。 最近,根据北京大学官网的消息,该校的研究团队成功研制了一种新型非易失性存储器铁电有机发光晶体管(Fe-OLET)器件,它将开关能力、发光能力和非易失性存储器功能集成到了单个器件中,相比传统的有机发光晶体管,基于存储型有机发光晶体管的显示技术具有更高集成度和更高像素开口率的优势。相关研究成果以“Nonvolatile Memory Organic Light-Emitting Transistors”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》。   据介绍,该器件的非易失性存储功能是通过铁电聚合物的剩余极化特点实现的,即在外加电场的作用下,铁电材料的极化特性会发生变化,而当这个电场被移除时,数据仍然可以被保存,该特性也使器件能够在零栅极偏压下保持发光。 此外,通过优化铁电层和沟道层之间的界面特性,有机发光晶体管器件的性能得到了显著提升,场效应迁移率提高了20倍,亮度提高了5倍。 器件结构及其存储与发光性能 据悉,论文中还展示了该器件亮度保持特性和重复擦写循环测试的实验结果,证明了其可靠的非易失性存储操作,揭示了其存储机制,这种多功能一体化的有机发光晶体管为进一步提升电路的晶体管集成密度带来了新的范例,也为有机显示像素电路的设计提供了一种新的技术方向。
12寸晶圆只能做4个芯片,史上最大图像传感器诞生!
CES 2024 使用的Sphere 是一个在拉斯维加斯的球形剧场,拥有世界上最大的高分辨率 LED 屏幕,将观众包裹在上方和周围,营造出完全身临其境的视觉环境。 负责为Sphere 捕捉内容的Big Sky,是一款突破性的超高分辨率摄像头系统,是世界上最大的商用电影摄像机传感器,与世界上最清晰的电影镜头配合使用,以前所未有的方式捕捉详细的大画幅图像。 而其所用到的图像传感器,就是意法半导体(ST)打造的。   ST 与 Sphere Studios 合作,制造了首款 18K 传感器,能够以 Sphere 显示所需的尺寸和保真度捕获图像。 Big Sky 的 3.16亿像素传感器几乎比高端商用相机中的全画幅传感器大 7 倍,分辨率高 40 倍。 该芯片的尺寸为 9.92 厘米 x 8.31 厘米(82.4 厘米2),是钱包大小照片的两倍,并且在 300 毫米晶圆上只能容纳四个完整芯片。该系统还能够以 120 fps 的速度捕获图像并以每秒 60 GB 的速度传输数据。 据悉,该芯片是由位于法国克罗尔的 (300mm) 晶圆厂制造的。 Big Sky 还允许电影制作者从单个摄像机捕捉大幅面图像,而无需将多个摄像机的内容拼接在一起,从而避免拼接常见的问题,包括近距离限制和图像之间的接缝。 Sphere Studios 已申请了十项与 Big Sky 技术相关的专利,并且数量还在增加。 Darren Aronofsky 的《来自地球的明信片》是第一部利用 Big Sky 制作的电影。
受蝴蝶启发,用复合材料打造可皱折可恢复的电子产品
在过去的几十年里,电子工程师创造了各种形状和设计日益复杂的设备,包括折叠手机。 亚洲大学和韩国其他研究所的研究人员最近推出了一种新设计,用于开发可皱折恢复的电子产品,换句话说,电子产品在被弄皱或挤压成更小尺寸后可以恢复其原始形状。 该设计已发表于《自然电子》杂志上,据称其灵感来自蝴蝶离开茧时展开翅膀的机制。 蝴蝶出生之前,它的翅膀会折叠起来,并在茧内折叠起来。值得注意的是,茧内部的翅膀被生物液体弄湿,这可以防止它们在皱巴巴的情况下受到损坏。当蝴蝶破茧而出时,液体会蒸发,使其慢慢展开翅膀,从而消除折叠时出现的皱纹。 受这种自然机翼展开机制的启发,研究团队先研发了一种具有可变刚度的复合材料。这种材料的硬度和柔软度可以控制,不需要额外的物质。这使得它可被用于开发出灵活且坚固的电子产品,即使在被弄皱后也不会出现皱纹。 据悉,该材料的核心底层设计集成了银纳米线、形状记忆聚合物 (SMP) 和弹性体。银纳米线不仅具有导电性,而且还充当机械传感元件。它们有助于通过焦耳热改变 SMP 的相,这就是使用电流加热材料的过程。 该研究团队提出的设计工作原理如下:当电子设备被弄皱时,其所含的 SMP(一种柔性材料)可以使其折叠而不会出现永久性损坏。如果通过一系列银纳米线对这种材料施加热量,它就会发生转变并变得坚硬。 这种变化有助于电子器件展开并恢复其原始的扁平形状,而不会出现任何永久性的皱纹或损坏。使用该设计创建的设备可以承受反复弄皱和展开,而不会失去功能。该设计还具有很高的包装效率,允许设备被压缩到非常小的空间(如 1 毫升胶囊),然后膨胀回原来的状态尺寸。 图片来源:Roh 等人 这项独特设计具有几个有利的特点。首先,它允许用户根据自己的需要轻松调节设备的刚度。 这些设备在被弄皱后可以恢复原来的形状和功能,这是受大自然启发的特性。 为了展示他们的设计,研究人员迄今为止已使用它来创建 7 厘米 x 7 厘米的触摸屏显示器。他们表明,这种显示器可以被揉皱成一个微小的胶囊,然后展开,成为一个可以检测触摸的光滑平坦的表面。 本质上,折皱可恢复电子产品将自然系统的弹性与现代技术的精度融为一体,为设计灵活耐用的电子设备提供了一种新颖的方法。 如今,人们已经习惯了可弯曲或折叠的电子设备(例如可折叠手机),预计未来对可定制的可变形电子设备的兴趣将会增加。 大多数先前开发的变形装置都是基于可折叠结构,通过重复类似的动作折叠在精确的位置。随着时间的推移,这些装置可能会老化,例如在折叠部位产生皱纹、折痕或结构损坏。 这项研究可以解决这些问题,从而有可能直接促进可定制形状改变电子设备的开发,也可以应用于触摸板或显示器,它们可能在可穿戴技术和机器人技术中特别有用,因为它们能够改变形状和灵活的性质,使它们适合任何需要与设备交互的领域。 研究团队设计的折皱可恢复电子设计可能对广泛的应用具有价值。除了帮助开发变形机器人、适应性强的可穿戴电子产品和可压缩显示器之外,它还可以用于为先进的医疗和工程应用创建自愈材料。
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春节放假通知
中秋国庆放假通知 | 飞捷士科技
五一放假通知 | 飞捷士科技
飞捷士科技荣获2022年美芯晟科技中坚伙伴奖
 2月13日,由美芯晟科技举办的2022年度优秀代理商颁奖典礼在深圳隆重召开。此次颁奖典礼,飞捷士科技以“胸怀中国芯 铸就中国梦”为核心发展目标。保证每一颗物料都来自正品源头。赢得了业界同行的一致认可。此次典礼,飞捷士科技荣获2022年美芯晟科技中坚伙伴奖。     此次颁奖典礼由美芯晟科技发起,中坚伙伴奖是美芯晟代理商最重要的企业奖项之一。此颁奖典礼评选并表彰了业内优秀的代理公司、上游服务供应商和热门IC产品。本届会议,邀请了半导体业界专家和企业领袖与IC设计行业资深工程师、技术和供应链专业人士,以及企业高管们一起回顾了美芯晟科技近年来的发展历程,并探讨了未来的发展方向以及半导体下一个十年的发展之路。     深圳市飞捷士科技有限公司是专业的半导体器件分销商,主要代理国产知名品牌电子元器件软件方案等产品。经营产品包括IC、IGBT单管/模块、场效应管、快恢复肖特基二极管等全线无铅产品,其广泛应用于LED驱动电源、数字电视、汽车电子、电机调速、变频伺服器电脑及周边产品、通讯设备等各个行业。作为专业的国产半导体器件专家,飞捷士一直致力于为广大客户提供半导体配套产品及前卫的解决方案。为客户提供从产品资料,产品选型供应保障及物流服务等专业服务。   未来,飞捷士将继续秉承“胸怀中国芯,铸就中国梦”的企业核心发展目标,原装正品才是高质量生产的核心基础。通过全球化竞争,凭借优秀的服务能力与过硬技术实力让全世界都能用到中国芯,并将同所有中国优秀半导体企业一起共绘中国民族半导体产业美好未来。  
2023年春节放假通知
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国庆节放假通知 | 飞捷士科技
祝大家中秋节快乐!
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简单加个二极管,解决车尾灯启动晶体管的失效问题!
那是20世纪90年代中期,我是一家设计和制造定制测量系统和大功率电子产品的公司的设计工程师。我们的客户包括实验聚变反应堆运营商和电力公司。 一天,我的老板让我和他一起去会议室,与一家公共交通汽车制造商的一些人会见。他说他们的一家供应商的产品出现了问题,请求我们提供帮助。 我们见到了地铁车辆制造商的项目经理和他们一家供应商的工程师。该产品是安装在地铁车厢上的一种新型红色尾灯。与它的名字相反,尾灯安装在车厢的两端,因为大多数地铁车厢都是双向交替运行的。问题是,这种灯工作正常几次后就失灵了。 尾灯组件包含LED及其供电电源。他们向我们展示了原理图,部分内容在这里: 根据记忆绘制的部分原始原理图。 输入电源为74V直流电,来自电池。该设备是一款非隔离式DC-DC降压反激式转换器,为内置LED供电。它使用一个控制器IC U1和一个独立的功率MOSFET,该MOSFET没有在我的原理图中画出来。MOSFET对变压器电感器T1的初级进行开关。变压器有两个次级绕组。主绕组连接至整流器D2和滤波器(未画出),然后连接至LED(未画出)。辅助绕组经D2整流,C1滤波,然后为控制器IC供电。主负载是串并联排列的红色LED,功耗约为15W。 控制器不能直接由电池供电,因为电压高于IC的最大供电值。此外,由于它向MOSFET发送栅极信号,因此供电电压不能超过20V,否则会损坏MOSFET。 尾灯设计人员认为,如果他们通过串联电阻分流齐纳电路将U1的Vcc引脚连接到电源,那么为IC供电所损耗的功率将超过2W,总效率将降低约15%。 因此,他们决定使用一个启动电路,瞬间为IC供电,一旦转换器运行,IC将由转换器的输出供电。他们还需要关闭启动电路。他们使用了一个串联电阻R2,与一个具有足够额定电压和电流的小信号高压BJT Q1的集电极相连。晶体管Q1的发射极连接到IC电源的引脚网络,也就是第二个次级绕组供电的引脚网络。Q1的基极与齐纳二极管D1相连,由来自输入电源的高阻值电阻R1偏置。一旦转换器启动并运行,辅助绕组电压将通过D2整流并通过C1滤波。Vcc将升高到D1电压之上,使Q1的基极发射极结反向偏置并关断。这样就切断了电流,使启动电路损耗几乎为零。总体而言,六个小信号器件的成本远低于一两个大功率器件,因此他们为启动电路选择的解决方案是合理的。 问题是Q1反复失效。转换器启动很快,设计人员向我保证没有任何器件过热。 我一眼就看出了问题的根源,但我闭口不谈。如果我现在告诉他们解决方案,他们就会卷铺盖走人,不会支付我们的专业技术报酬,理由是我们花费的时间不值得为支付我们的报酬而做书面工作。我的老板说,我们会抓紧工作。他们给我们留下了一个工作设备和原理图。 他们一走,我就和老板谈了起来。设计启动电路需要做出一系列妥协:选择一个高于IC最低工作电压的齐纳值;计算变压器的匝数以产生高于齐纳值的电压,但又不能太高,否则会损坏MOSFET。问题还在于,转换器调节的是主输出电流,而不是辅助输出电压,因此必须在从最小电池电压到最大电池电压的整个范围内工作。 如果辅助绕组的工作电压远高于齐纳电压,Q1的反向偏置基极发射极结就会击穿并损坏晶体管。与Q1类似的晶体管MPSA42的最大Vebo通常为6.0V,这也是许多BJT的典型值[1]。如果发射极基极结的反向电流水平较低,这个结就会表现为齐纳二极管。随着电流增大和持续时间延长,当恢复正常工作时,β值就会下降,噪声就会增大。如果反向电流过大,晶体管就会失效[2][3],这就是Q1在该产品中失效的原因。 我告诉老板,解决办法很简单,在Q1的发射极和控制器Vcc引脚之间添加一个串联二极管D3,见修改后的原理图: 根据记忆绘制的修改后的部分原理图。 他同意我的观点。我修改了设备。我在整个电池电压范围内进行了多次开关循环测试,结果设备运行完美。 第二天晚些时候,我的老板打电话给我们的客户,说我们已经找到了问题所在,并为他提供了一种简单、低成本的解决方案。一周后,我们的客户告诉我们,制造商已经确认了我们的解决方案,他们都对我们的工作非常满意。 我们得到的教训是: 谨防BJT基极发射极结反向偏置; 严格执行设计审查,并使用检查项目清单,这里的清单是一个良好的开端[4]; 在回答客户问题之前要想清楚,这总是涉及到钱的问题,你的老板用客户的钱来支付你的薪水,不要把钱拱手让人; 最重要的是,永远不要让客户看起来像个傻瓜。 参考文献 ONSEMI, datasheet MPSA42: NPN Bipolar Small Signal Transistor, February, 2013 − Rev. 8. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mpsa42-d.pdf  [Page retrieved 2022-06-21]. Pease, Robert A. Troubleshooting Analog Circuits. Butterworth-Heinemann, 1991. Page 77. Motchenbacher C. D. and J. A. Connelly. Low-Noise Electronic Systems Design. John Wiley & Sons, Inc. 1993. page 133. Wallace, Hank. Electronics Design Checklist, http://www.jldsystems.com/pdf/Electronics%20Design%20Checklist.pdf [Page retrieved 2022-06-19]. 关于作者 Daniel Dufresne是一位退休工程师,曾从事电信、公共交通、消费产品和大功率电子设计工作。他还曾在Cegep de Saint-Laurent学院担任教授。他获得了蒙特利尔大学工学院(Ecole Polytechnique de Montreal)的学士学位。他现居加拿大蒙特利尔,仍从事电子项目和电子测试设备的维修工作。
用于下一代光伏和储能系统解决方案的宽禁带半导体
碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体正在为下一代光伏(PV)和储能系统(ESS)提供更高效率、更小尺寸的电源转换解决方案。在本文中,我们将重点介绍英飞凌科技和东芝提供的此类产品的示例。 光伏安装和发电量强劲增长 2050年温室气体净零排放气候变化目标正在推动许多国家采用可再生能源生产。光伏电池板效率和可靠性的提高、成本的降低以及政府补贴的结合推动了太阳能发电的显著增长。2022年光伏累计装机容量突破1TW,年内新增容量240GW。这占到2022年新增可再生能源装机容量的三分之二。预计未来几年的累计年增长率约为20%。据估计,到2050年,风能和太阳能将占所有能源产量的约三分之二。 PV和ESS电源转换的趋势 对于住宅用途,光伏输出通常低于20kW,最大直流电压为600V,典型单相输出为110/230VAC。目前,公用事业规模的光伏发电的额定直流电压通常为1,000V。更低的欧姆损耗以及由此提高的端到端效率,加上更少的并联串来降低安装成本,正在推动将该电压从1,000V提高到1,500V。并网公用发电机的功率输出可以从几百千瓦到几兆瓦。ESS系统相应扩展,典型的住宅壁挂式装置功率范围为3kW至20kW,电池电压升至450V范围。商业和公用事业ESS装置的范围可达兆瓦级别。   连接ESS的方法可以是交流耦合(其中电池通过DC/DC和DC/AC转换的组合,然后并入电网)或直流耦合(其中直流光伏发电电源通过DC/DC转换器连接到电池)。这种具有内置ESS功能的混合逆变器可以避免不必要的电源转换。这些转换器必须是双向的,以便根据供应和需求来获取和吸收电池能量。 随着电动汽车的日益普及,电动汽车电池可以用作车到户配置中的能源。在此,电动汽车电池可以通过双向DC/DC转换器直流耦合到光伏混合逆变器,也可以通过板载或板外双向DC/AC逆变器交流耦合到电网。 这里使用了多种转换器设计,每种设计都有自己的优点。CLLC和双有源电桥(DAB)是双向隔离式DC/DC转换器的常见拓扑,其中低压(例如48V的电池或光伏电源)与高压直流输出(为逆变器供电,例如400V)之间需要隔离。当没有低电压时,可以使用非隔离升压DC/DC逆变器,例如输出600V的较大的串式太阳能系统的输出。 无变压器双向DC/AC转换器设计——例如高效可靠的逆变器概念(HERIC)或多电平有源中性点转换器(ANPC)——由于提高了效率并降低了系统成本、尺寸和重量,因此越来越受欢迎。HERIC逆变器可用于单相串式逆变器,输出功率可达几千瓦,而ANPC可用于输出功率从数百千瓦到数兆瓦的中央逆变器。多电平ANPC允许使用额定电压较低的器件(Vbus÷(n–1),其中Vbus是全总线电压,n是电平数),并且还可以减少转换期间的电压转换(dv/dt),从而减少电磁干扰。 用于PV和ESS功率转换的WBG器件 在PV和ESS双向DC/DC和DC/AC转换器设计中,WBG器件比传统Si器件具有许多优势。更高的开关频率可以减小系统尺寸并提高效率。损耗减少可以使冷却要求变得更简单。GaN器件还可以为更简单的交流开关拓扑提供独特的双向功能,从而将器件数量减少4倍。 图1显示了SiC和GaN器件在太阳能和ESS应用中的应用空间。SiC非常适合在更大功率和更高电压领域取代Si器件,器件的额定电压范围为1,200V至3,300V。额定电压为650V或以下的快速开关GaN器件非常适合单个光伏微型逆变器和DC/DC转换器应用。 图1:SiC和GaN在太阳能和ESS系统中的应用空间。(图片来源:英飞凌科技) 如图2所示,英飞凌生产的CoolSiC和CoolGaN器件与传统Si器件相比具有多种优势。SiC改善了随温度变化的RDS(on)特性。GaN HEMT具有较低的输出和栅极电荷(分别为Qoss和Qg),从而实现最低的开关损耗。GaN的Qoss较低,可用于降低软开关CLLC拓扑中的死区时间并降低RMS系数。 图2:与具有相似电压和RDS(on)额定值的超级结Si MOSFET器件相比,SiC和GaN在导通电阻、输出电荷随漏极电压的变化以及栅极电荷与栅极电压的关系方面的比较。(图片来源:英飞凌科技) 这些优势直接转化为转换器效率的提高。例如,当将56V ESS电池放电到400V总线时,在谐振频率以上运行的DC/DC CLLC转换器可以在正在执行同步整流的次级侧高压开关上实现低得多的反向恢复损耗。DAB转换器初级FET上的米勒栅极电荷(Qgd)会低得多,从而使初级侧FET上的Eoff损耗低得多。 体二极管抗浪涌电流能力远高于器件的标称电流额定值,这可能是SiC MOSFET实现双向功率转换能力的另一个关键优势。基于SiC的转换器的工作频率是类似额定值的Si IGBT的开关频率的几倍,同时仍然具有较小或相当的损耗,从而节省了系统的磁性元件尺寸,进而降低了尺寸和成本。英飞凌的分立CoolSiC器件产品额定电压范围为650V至2,000V,适用于硬开关和谐振开关拓扑。 在PCIM 2023上,东芝推出了具有嵌入式肖特基势垒二极管(SBD)的额定2,200V的SiC MOSFET。该器件封装为双SiC MOSFET模块。该额定电压允许在1,500V光伏应用中使用两电平逆变器。与三电平拓扑相比,它们的开关级更少,因此更小、更轻。该额定电压为2,200V的器件与之前的额定电压为1,700V和3,300V的SiC MOSFET一样,遵循RDS(on)与Vds的关系。 SiC MOSFET在其内置体二极管的正向导通阶段可能会受到基面缺陷增长的影响。这会导致RDS(on)增加和可靠性降低。单极SBD导通有效地避免了这种双极导通阶段,从而提高了可靠性。由于SBD的正向导通电压较低,使用SBD还可以减少转换器中的死区时间损耗。 光伏应用中的问题之一是宇宙射线退化和故障。一项研究表明,地面中子暴露引起的单事件烧毁故障率是VDS/VAVAL比值的函数,其中VDC是器件的额定电压,VAVAL是其雪崩起始电压。对于VDS/VAVAL为0.5或更低的器件,十亿分之一的实时故障率要低得多(<1)。该比率可以通过外延层/漂移层优化来调整。如图3所示,与1,700V MOSFET相比,这些2,200V SiC MOSFET在白中子辐照(以绿色显示)下的故障率提高了一个数量级。 图3:东芝2,200V SiC MOSFET(以绿色显示)与现有1,700V器件的中子辐照故障率对比。(图片来源:Ogata等人,2023年) 在150℃的全额定VDS下对这些2,200V MOSFET进行的高温反向偏置测试显示,关键直流参数——例如阈值电压Vth、RDS(on)和漏极泄漏——在2,000小时应力间隔内发生了小于5%的变化。 他们对使用1,200V和1,700V Si IGBT(工作频率为3.9kHz)的三电平逆变器与使用这些2,200V SiC MOSFET(工作频率为7.8kHz)的两电平逆变器的开关性能进行了比较。这是在1,200V、200A和125℃的条件下完成的。即使在较高频率下,2,200V转换器的功耗也显著降低了37%。 住宅和公用事业规模的光伏发电都能受益于WBG电源转换器和ESS解决方案的使用。微型逆变器和单相串式逆变器可以受益于GaN的低损耗、高开关性能,从而大大提高功率密度并简化转换器拓扑。用于公用事业的大功率混合逆变器和三相中央逆变器也可以受益于SiC器件,这些器件在功率损耗、高温性能和功率密度方面优于硅基器件。
如何确保IGBT的产品可靠性
在当今的半导体市场,公司成功的两个重要因素是产品质量和可靠性。而这两者是相互关联的,可靠性体现为在产品预期寿命内的长期质量表现。任何制造商要想维续经营,必须确保产品达到或超过基本的质量标准和可靠性标准。安森美(onsemi)作为一家半导体供应商,为高要求的应用提供能在恶劣环境下运行的产品,且这些产品达到了高品质和高可靠性。之前我们分享了如何对IGBT进行可靠性测试,今天我们来介绍如何通过可靠性审核程序确保IGBT的产品可靠性。 安森美通过严格执行可靠性审核程序来确保可靠性。所有 IGBT 产品都根据工艺技术和封装类型分为不同的系列。每季度,会在最终测试时从这些系列的存货中抽样,然后提交进行审核测试。通过对每个产品进行实时极端压力测试,可能会发现一些可以通过过程控制检测到的工艺异常。典型的可靠性审核测试包括高温反向偏置、高温栅极偏置、间歇性工作寿命、温度循环和高压锅测试。为了发现任何隐藏的故障模式,可靠性测试被设计成超出常规质量和可靠性测试的测试条件。 检测到的故障会被发送到产品分析实验室进行实时评估。这个高度专业化的实验室配备了多种分析能力,包括电气特性、湿化学和等离子体技术、冶金横截面、扫描电子显微镜、色散 X 射线、俄歇光谱和微观/宏观拍摄。总之,这些能力允许对故障机制进行迅速和准确的分析,确保评估的结果可以转化为纠正措施并引导到适当的责任领域。 安森美可靠性审核程序提供了一种强大的方法,可以发现 IGBT 产品线中潜在的工艺异常迹象。正是这种对可靠性审核的严格和持续关注,为实现客户满意度提供了良好保证。 IGBT 可靠性审核程序 可靠性要点 半导体用户最关心的是器件性能与时间的关系。确定特定器件的适用性后,该器件的有效性取决于它可以提供无故障服务的时间长度。器件的可靠性体现了它将为客户提供多好的服务。可靠性可以重新定义为在给定制造商的规格下,在给定时间段内无故障性能的概率。一般情况下,半导体的故障率在长时间内会显示出所谓的“浴盆曲线”。 图3.半导体故障率 可靠性力学分析 由于可靠性评估通常仅涉及总体器件中的部分样本,因此中心极限定理的概念适用,并且可以通过以下公式使用 λ2 分布来计算故障率: (公式5) 其中 (公式6) 置信限度是计算中所需的保守程度。中心极限定理指出,大规模总体中的任何单位样本的值都将产生正态分布。50%的置信限度称为最佳估计值,是此分布的平均值。90% 的置信限度是一个非常保守的值,它会导致更高的 λ,表示 90% 的分布区域位于该值左侧的点。 (2r + 2) 称为自由度,以适合于 λ2 表格的形式来表示不合格品的数量。不合格品的数量是一个关键因素,因为不合格品的定义通常因制造商而异。由于随着样本量和测试时间的减少,测试不能代表整个总体的可能性越来越大,因此即使真正的长期故障率可能非常低,λ2 计算也会在短时间测试期间产生出奇高的 λ 值。为此,必须收集相对大量的数据来证明真实的长期故障率。由于这需要对数以千计的器件进行多年测试,因此开发了加速测试方法。 图 4.置信限度和样本故障率的分布 多年的半导体器件测试表明,温度会加速故障的出现,并且这种行为符合 Arrhenius 公式的形式: (公式7) 其中: R(t) = 反应速率随时间和温度的变化 Ro = 常数 t = 时间 T = 绝对温度,开尔文 (°C + 273°)= 活化能,电子伏特 (ev) K = 波尔兹曼常数 = 8.62 × 10−5 ev/°K 这个公式也可以写成以下形式: AF = 加速因子 T2 = 用户温度 T1 = 实际测试温度 Arrhenius 公式指出反应速率随温度呈指数增加。当在对数线性纸上绘制时,这会产生一条直线,其斜率在物理上被解释为特定反应或故障机制的能量阈值。 可靠性认证/评估大纲 安森美可靠性和质量保证工程的部分职能是评估新产品的引入、工艺变化(无论是小变化还是大变化)和产品线更新,以验证完整性、可靠性和一致性,从而确保在实际应用中能发挥出令人满意的性能。可靠性评估可能需要进行一系列广泛的可靠性测试,例如“已执行的测试”部分中概述的测试,或根据认证要求进行的特殊测试。
利用GaN器件预先确定大功率模块化DC/DC转换器的尺寸
最近,飞机设计正朝着更加电动的飞机(MEA)范式转变,即增加使用电能而不是气动和液压能量来为机载系统提供动力。MEA的实现具有一些不可否认的优势,例如能源效率和低成本维护,这从空中客车A380或波音787等近期飞机中越来越多的实现中可见一斑。为了实现这一点,必须对电源架构进行重大修改,以确保最佳性能。 该电源架构基于多种互连且电气隔离的机载电网。此外,还有两个网络电压等级:为控制设备供电的28VDC标准低压直流(LVDC)总线和为动力执行器供电的270VDC/540VDC高压直流(HVDC)总线。电源转换是实现更加电气化方法的关键,概括了从基于直接适配元器件的单个转换器转变到采用最合适元器件来实现给定规格的多转换器架构的可量化优势。 MEA面临的主要挑战是开发更小、更轻的电源系统,因此该架构将以功率密度和功率重量比为中心。根据参考文献,宽禁带技术可通过使用GaN和SiC器件的组合实现高达2kW/kg的功率重量比。使用GaN器件还可以降低功率损耗,从而有助于提高转换效率并减小散热管理系统的尺寸。它们还可以承受更高的结温。   在这种情况下设计双有源电桥(DAB)可满足具体需求,因为它进一步满足了电气隔离、高功率密度、高额定功率和高效率的要求。考虑到GaN器件的使用,基于低功耗基本模块串并联的模块化架构成为必需(图1)。 图1:模块化转换器的示意图,它通过基本模块的输入串联输出并联关联,以实现540V至28V转换。(图片来源:ScienceDirect) 模块化电源架构仿真 通过仿真对MEA实现中LVDC和HVDC网络互连所涉及的电力电子器件进行设计,比通过繁琐、昂贵的实现和测试来获得技术进步更为方便。电源转换功能是通过基本模块的组合来执行的。它们基于DAB技术,并使用单相移控制策略进行控制。图2概述了模型中DAB转换器的11个宏观参数。 图2:DAB转换器的设计参数表。(图片来源:ScienceDirect) 所生成的模型还考虑了与半导体(GaN器件)和磁性器件等相关的多种损耗。将晶体管传导损耗、死区期间的反向传导损耗、铁损、铜损等因素考虑进去,对于确定模型的功率重量比也至关重要,因为这是关注的主要性能因素。参考文献中的论文通过几个方程来计算由于传导损耗和铁损等引起的功率损耗。这些方程在计算功率重量比时发挥了累积作用。 同样,论文中做出了一些设计决策以显著减少损耗: 使用平面变压器,因为其能满足现代电力电子限制集肤效应和邻近效应的要求; 并联绕组可减少低电压下的铜损和电流密度。 该仿真模型设计还对质量估计模型进行了计算。所生成的模型必须能够通过实验中所使用的几个性能标准——优化则是后续要求。 将优化灌输到模型中 要继续优化过程,必须优先考虑添加物理约束,特别是考虑变压器。这个过程包括引入系数和常数,这些系数和常数为方程奠定了现实基础,能够帮助它们满足电力电子的要求。 仿真模型设计的优化是使用粒子群优化算法进行的。所需的优化涉及功率重量比。在执行优化算法时,要调整参数产生3个最优解和1个次优解。最优方案中,案例A采用E43铁氧体磁芯,案例B采用E58铁氧体磁芯,案例C则采用E64磁芯。 案例B的功率重量比高达4.5kW/kg,是最先进技术的两倍。因此,无论与飞机实现和测试的关联如何,GaN晶体管都可以为电力电子领域的重大进步开辟道路。同时,案例C具有更大的磁芯,因此可实现更大的低压电流并可以省去绕组电容器,但这反过来会限制开关频率。案例A具有较小的磁芯,低压电流显著降低,从而降低了铜损,但增加了GaN驱动能量和磁芯损耗。 与案例B相比,次优解决方案的功率密度较低,但效率提高了0.5个百分点。 请注意,有两种适合审查的绕组配置有助于实现高谐振频率,从而实现高开关频率。 所提出模型的实验验证和结果 验证实现假设是接下来的关键步骤。为此,必须检查是否可以使用相同的栅极驱动器驱动至少四个GaN晶体管,并以可忽略的寄生电感和低电阻连接进行布线。还应该验证基于每个电桥单个散热器的散热管理。 第一个实验包括: 基于GaN系统和EPC器件的高压和低压电桥; 1.9kW的DAB,频率为304kHz。 从实现结果可见,在300kHz频率下测量结果与模型之间存在约15%的差异。这种差异归因于建模是在2D中完成的,而变压器则是在3D中完成的。然而,减少质量的目标仍然得到了基本实现。基于仿真的方法通用且快速,可用于检查关于电源转换器中所使用的各种元器件的技术特性演变所定义的最佳值。这里实现的性能指数结果是使用GaN新器件的结果,特别是考虑到它们的并行化。  
2023年中国集成电路进口量同比下降10.8%
 由于长期经济不确定性和美国出口管制影响,2023年中国芯片进口遭遇了有记录以来的最大降幅。数据显示,2023年全球最大半导体市场的集成电路进口额下降了15.4%,至3494亿美元,这是自2004年中国海关数据公布以来的最大降幅,并且是连续第二年下降。 由于长期经济不确定性和美国出口管制影响,2023年中国芯片进口遭遇了有记录以来的最大降幅。 据中国海关总署官网统计数据显示,2023年中国累计进口集成电路4795亿颗,较2022年下降10.8%;进口金额3494亿美元(4661亿新元),同比下降15.4%。彭博社周一报道指出,这创下2004年有中国海关数据以来的最大降幅。 来源:海关总署 下同 海关总署数据也显示,2023年中国二极管和类似半导体组件(普通商品芯片的代表)进口量也下降23.8%。 第一财经引述业内人士分析,中国集成电路和半导体设备进口疲软,反映2023年全球经济逆风,特别是中国智能手机和笔记本电脑销售疲软等因素影响。同时,中国企业在努力提高本土芯片产量,以减少对进口芯片的依赖。 海关总署数据显示,2023年度中国大陆芯片产量出现了增长。1-10月份,国内累计生产集成电路2765.3亿块,同比增长0.9%。其中10月份集成电路产量为312.8亿块,同比大增34.5%,创下近几年新高。 一名中国芯片企业管理人士说:“一方面是低端消费电子芯片需求的疲软,另一方面是需求更大的高端人工智能(AI)芯片的禁售,两个主要因素导致去年中国芯片进口量急剧下滑。” 2023年,美国政府加强限制中国从英伟达等美国供应商获取能训练AI模型的尖端半导体。 在出口数据方面,2023年中国累计出口集成电路2678亿颗,较2022年下降1.8%;出口金额13.60万美元,下降10.1%。 据不完全统计,除了7家已暂停搁置的晶圆厂,目前大陆建有44座晶圆厂(12寸晶圆厂25座,6英寸厂4座,8英寸晶圆厂/产线15座)。此外,还有正在建设晶圆厂22座(12英寸厂15座,8英寸厂8座)。未来包括中芯国际、晶合集成、士兰微等在内的厂商还计划建设10座晶圆厂(12英寸厂9座,1座8英寸晶圆厂)
DC-DC电源转换器的布局布线建议
在电子设备中,电源模块是核心组件,将输入直流电压转为设备所需的各种直流电压。DC-DC电源转换器,特别是基于开关方式的转换器,因其高效、小体积和轻重量等优点被广泛应用。但设计优秀的DC-DC电源转换器并不容易。布局、电磁兼容性、电流和散热管理等方面均需深思熟虑和精细调整。 为优化供电性能,开关电源应靠近芯片放置,避免输出线过长导致压降。为降低电磁干扰,避免在开关电源周围布置敏感元器件。为增强稳定性和可靠性,需考虑布线策略、地线加粗、散热地设计等因素。 一、DC-DC电源应用介绍 1、DC-DC应用类型简介 DC-DC电源是直流电压转换的核心设备,包括LDO等类型。其中,利用开关方式实现的器件常被称为DC-DC转换器。这类电源具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、可靠性高等优点,并能抗干扰、宽范围输出,因此在电子领域被广泛应用。 2、DC-DC电源工作原理 DC-DC电源的工作原理涉及到电压的转换和调节。这个过程主要是通过开关电源的变换器来实现的。DC-DC变换器在开关电源中负责将输入的直流电压转换为所需的输出直流电压。一般情况下,这个变换器的工作原理可以分为三个主要步骤: 1)滤波:当市电经过输入开关接通后,首先经过整流电路变成脉动直流电,再经过滤波电路滤除纹波,变成平滑直流电,供给变换器进行变换。 2)变换:DC-DC变换器将输入电压通过功率开关管和储能电感产生一定的脉冲功率,然后利用脉冲变压器、整流滤波电路,得到相应的输出电压。电压的转换通过PWM(脉宽调制)或PFM(频率调制)控制开关管的开关时序来实现。在开关电源中,开关管的开关速度非常快,一般在几十微秒的时间内完成开关动作,这个速度要比传统线性电源的调整速度快很多。 3)调节:输出电压的稳定是通过反馈环路来实现的。当输出电压升高时,通过取样电阻取得的样本信号就会升高,这个信号与基准电压比较后得出的误差信号就会增大,然后通过PWM或PFM控制的方式减小开关管的导通时间,从而降低变换器输出的平均功率,实现输出电压的稳定。 二、关键器件的选择 1、输出电感 电感储存磁能,确保电流稳定输出。选择电感时需权衡大小,大电感损耗小但响应慢,小电感快速响应但损耗大。考虑饱和电流,保证滤波效果。 2、分压电阻 分压电阻形成分压网络,反馈输出电压给控制电路,精准控制PWM占空比,稳定输出电压值。选择高精度电阻,确保电路精确性。 3、输入电容 选择输入电容需考虑等效电感和自谐振频率。大容值电容滤除低频噪声,小容值电容滤除高频噪声。组合并联使用可实现优异滤波效果,稳定输入电压并滤除交流成分。 4、输出电容 输出电容滤除开关纹波,确保输出电流纯净。容值越大,阻抗越小,纹波更容易流过。选择合适的输出电容对电路稳定工作至关重要。 在挑选这些核心组件时,我们需要综合考虑各种因素以求达到最佳平衡。比如电感的选取就在效率和响应速度之间寻找平衡;而分压电阻则需要精确稳定地反馈电压;输入输出电容则需要根据不同的工作频率噪声特性来进行挑选;最后的输出电容更是要综合考虑容值和ESR以最小化纹波。通过精心的挑选,我们可以使电路在高效、稳定的状态下工作,从而将电路的性能发挥到极致。 三、DC-DC电源布局布线建议 电源模块布局布线可提前下载芯片的datasheet(数据表),按照推荐的布局和布线进行设计。 1、布局设计 1)芯片电源接近原则:对于为芯片提供电压的开关电源,应确保它尽量靠近芯片放置。这样可以避免低电压输出线过长,从而减少压降,确保供电性能不受影响。 2)避免电磁干扰:开关电源在高电压大电流的状态下工作,可能会引发复杂的电磁兼容性问题。因此,开关电源周围应避免布置敏感元器件,以减少电磁干扰对元器件工作的影响。 3)以电源芯片为核心布局:在布局时,应以开关电源芯片为核心元器件进行组织。电源滤波器的输入及输出端在布局时要确保足够的距离,防止噪声从输入端耦合到输出端。元器件应整齐、紧凑地排列在PCB上,以减少和缩短各元器件间的引线和连接。 2、布线设计 1)避免平行导线:输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平行,以减少不必要的电磁干扰。 2)加粗地线:加粗输入和输出之间的地线,能够确保电流稳定,并减少反馈耦合。 3)强电流引线处理:强电流引线,如公共地线、电源输入/输出线等,应尽可能加粗。这样可以降低布线电阻及电压降,进而减小寄生耦合而产生的自激。 3、散热考虑 1)散热地面积:由于开关电源的散热量比较大,散热地(铜)的面积应尽量加大,以确保热量的有效散发。 2)大面积铺铜与打孔:输入、输出端应尽量大面积铺铜并多打过孔,这样不仅可以满足电流的要求,还有助于提高散热效果。 结语: DC-DC电源转换器在电子设备世界中扮演着至关重要的角色,其设计涉及到众多精细且关键的环节。从理解其工作原理,到精心挑选核心组件,再到布局布线的优化设计,每一个环节都需要我们深入思考和精细操作。这不仅需要我们拥有扎实的专业知识,更需要我们具备创新思维和解决问题的能力。希望本文能对大家在设计DC-DC电源转换器时提供一些有用的参考和帮助。
具有电容器电子调节功能的函数发生器
显示了在主发生器和积分器中创建具有恒定振幅的矩形和三角形脉冲以及等效电容的电子同步控制的频率可调谐函数发生器的可能性。这种控制是可能的,因为在反馈电路中使用了电压中继器,其中通过传输系数调节器包括电容器。 众所周知的函数发生器包含矩形脉冲的主发生器,其中基于RC电路的积分器连接在输出端,其中电阻器起到稳定电流发生器的作用。这提供了电容器的线性充电和放电,在其极板上形成三角形电压。 经典方案的缺点是这样的发生器能够仅在一个频率下操作,因为当它改变时,三角形输出信号的幅度显著改变。为了确保在保持三角输出信号的稳定振幅的同时改变这种发生器的频率的可能性,有必要使用振幅稳定方案,或者与生成频率的变化同步地调整积分器电容器的电容。 通过对其电容器的等效电容进行电子调节,可以解决主发电机的同步频率变化和积分器电容器的电容的相应比例变化的问题。[1-7]中描述了RLC元件参数的电子控制原理。有源元件和无功元件的等效参数的这种控制是可能的,例如,通过在反馈电路中使用电压中继器,这些元件通过传输系数调节器[7]包括在反馈电路内。 如果电位计连接到电压中继器的输出,如图1所示,并且电容器C0连接在其滑动触点和中继器的输入之间,则当根据公式Cequ=C0(1–Ktrans)调整电位计时,电容器Cequ的等效电容将从标称变为几乎为零,其中Ktrans是从电压中继器的输入到滑动触点到电位计的传递系数,Ktrans=0…1。 图1具有电容器等效电容电子调节功能的发电机的电气方案。 图1中的函数发生器包含LM348芯片运算放大器U1.1上的矩形脉冲RC发生器。来自发生器的信号输出频率为100–1000 Hz,并被馈送到积分链R3、C2,其中高电阻电阻器R3充当稳定电流发生器。三角形状的信号形成在电容器C2的板上。此外,从运算放大器U1.3上的电压中继器的输出,通过分离电容器C3的信号进入运算放大器U1.4上的放大级。 当反馈电压施加到电容器C1和C2的一个极板上时,电容器C1的等效电容减小。该电压在相位上与输入电压一致,并由双电位计R6.1和R6.2调节 参考文献 1、Miller J.M. “Dependence of the input impedance of a three-electrode vacuum tube upon the load in the plate circuit”. Scientific Papers of the Bureau of Standards, 1920, Vol. 15, No. 351, P. 367–385. 2、Sheingold D.H. “Impedance and admittance transformations using operational amplifiers”. The Lightning Empiricist, 1964, Vol. 12, No. 1, P. 1,2,7,8. 3、Gaon J. “Feedback turns fixed capacitor into variable capacity”. Electronics, 1966, Vol. 39, No. 24 (Nov. 28). P. 80. 4、Korshunov A.I. “Smooth regulation of capacitance of capacitors”. Power Electronics (RU), 2014, No. 4 (49), pp. 36–40. 5、Plasoianu Gh. “Electronically-variable capacitor with wide range and high value”. EDN. June 20, 2018. https://www.edn.com/electronically-variable-capacitor-with-wide-range-and-high-value 6、Shustov M.A. “Vernier stable current generator of drip type for the range 10–6…10–11 A”. Radiolotsman (RU), 2018, No. 9, pp. 42–44. https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=538827 7、Woodward S.W. “Synthesize variable in-circuit Rs, Ls, and Cs”. EDN, February 19, 2019. https://www.edn.com/synthesize-variable-in-circuit-rs-ls-and-cs/ 8、Shustov M.A. “Electronic regulators of parameters of RLC-elements”. Radiolotsman (RU), 2023, No. 3–4. https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=658565
两种电感比较器设计
本文给出了两种简单的平衡桥装置的示意图,可以高精度地比较两个电感。LED指示器或高阻抗电话耳机用作不平衡指示器。 电感值最小偏差的控制与测量和控制设备有关;例如,当考虑到输送机上的零件数量时,或者当监测到金属或铁磁性材料的距离时。 早些时候,笔者提出了一种电容比较器设计,其工作原理众所周知。下面所列设备的工作原理与之相同。如图1所示,为了指示电感偏差,使用对称电感电阻桥L1、L2、R1、R2,沿其对角线连接比较器U1 LM339的输入。比较器负载是LED1和/或高电阻电话头戴式耳机TLF1。 图1具有视觉和/或听觉不平衡指示的单级电感比较器。 这里将频率为1kHz、电压为10V、脉冲填充因子为D=50%的矩形脉冲被馈送到设备的输入端。当电路平衡时,通过LED 1的电流最小,几乎不会产生明显的辉光。如果电路不平衡,则在比较器的输出处出现脉冲,脉冲的宽度随着不平衡程度的增加而增加。LED的亮度增加。 如果高电阻电话头戴式耳机TLF1并联连接到LED 1和限流电阻器R3,则设备的灵敏度显著增加。当电路平衡时,耳机中没有声音。如果电桥不平衡,1kHz音频信号的音量会增加。该设备的灵敏度允许您指示电感的变化,单位为百分之一。 电感器L1和L2的感应电阻的值应当与电桥电阻器R1和R2在测量频率下的有源电阻相当。 电感比较器的一个更先进的电路如图2所示。该装置提供了用电位计R5平衡电桥的可能性,并且LM339芯片的两个比较器U1.1和U1.2用于扩展显示范围。在电桥电路的输入电路中使用电阻分压器,可以选择感应电阻电桥中不平衡程度指示的灵敏度。为了扩大显示范围,可以增加显示级(比较器)的数量。 图2具有电阻平衡的两级电感比较器。
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