功率器件凸显节能 主流厂商各具优势

2007-11-21 08:45:26来源: 中国电子报
特 邀 嘉 宾

飞兆半导体公司技术及应用支持中心亚太区副总裁 王瑞兴

安森美半导体汽车电源管理产品部全球销售及市场总监 郑兆雄

美国国家半导体亚太区电源管理产品市场营销经理 吴志民

松下半导体销售(中国)公司中国系营业部北方区代表 张 丹

功率器件的发展及应用

●主流厂商引领行业发展方向

●4C及工业控制是主要应用领域

郑兆雄  功率半导体器件就是在功率电子电路中用作开关或整流的半导体器件,它主要包括三个方面,分别是:以双极性器件为主的传统功率半导体器件(如功率二极管),以MOSFET和IC为主的现代功率半导体器件以及在前两者基础上发展起来的特大功率器件。

功率器件的发展大致分为三个阶段。第一个阶段是随着晶闸管在1957年的出现,各种类型的晶闸管和大功率达林顿二极管都有很大的发展。随后在上世纪70年代末,随着金属氧化物半导体(MOS)技术的进步,功率MOSFET开始面市,并在80年代和90年代开始广泛 地应用于通信、计算机和消费电子等各类应用。第三个阶段是从上世纪90年代末开始,功率器件和集成电路的结合越来越紧密,这既体现在制造工艺技术和封装技术方面,也体现在器件结构方面,也就是功率器件开始越来越多地与集成电路做在同一个芯片上或是同一个封装中。

安森美半导体提供一系列的功率器件,如二极管、功率整流器、晶闸管、双极晶体管和各种场效应管(FET)等。对于安森美半导体而言,我们已经从提供单个的器件转向提供完整的解决方案,全方位地服务于客户的应用需求。

功率器件热门的应用领域包括台式计算机ATX电源和液晶电视电源等,这两大领域在今后将继续拥有广阔的发展前景。其中,对于ATX电源而言,越来越多的能效规范对它提出了越来越高的工作效率、待机能耗和功率因数要求。如能源之星要求计算机电源功率因数高于90%,并且在20%、50%和100%负载条件下的电源能效都高于80%;此外,计算产业气候拯救行动(CSCI)提出了新的节能要求,到2011年上述三种负载条件下的电源能效分别要达到87%、90%和87%。要满足这些越来越高的要求就需要采用性能更高的功率器件。此外,液晶电视市场近年来发展迅速,且未来前景持续看好,业界对它的工作能效特别是待机功耗方面的关注有增无减,这也要求采用更多更好的功率器件。

王瑞兴 2007年是飞兆半导体值得纪念的一年。2007年是公司创建50周年的里程碑,飞兆半导体于1957年首次创立,一年之后,公司开发出世界上首个集成电路(IC)。2007年也是飞兆半导体重新成为独立公司并进入中国市场的10周年,在过去10年中,飞兆半导体已经成为一家面向应用的、基于解决方案的半导体产品供应商,提供强大的设计支持,并在全球建立了广泛的客户合作关系。随着燃料供应日益紧张,以及对越来越多应用领域的能效做出强制性要求的新法规和标准相继出台,大大推动了对于新兴技术的需求。飞兆半导体认识到这种需求,并集中力量开发先进的产品,以满足市场对高能效解决方案和不断缩短产品上市时间的要求。这一战略使得飞兆半导体在功率半导体领域执全球市场份额牛耳。

目前,功率半导体器件最热门的应用领域是电源、照明和消费电子产品;而前景最佳的应用是计算机、工业电机和汽车应用。

吴志民 美国国家半导体创下功率器件发展史上的多个第一。我们率先开发业界首款可调整电压的单芯片稳压器LM117、业界首款低压降稳压器LM2930以及业界首款稳压开关电容转换器LM3353。我们的SIMPLE SWITCHERTM系列开关稳压器很易融入系统设计,因此大受市场欢迎。目前的SIMPLE SWITCHER芯片已属于第四代的产品。回顾过去30年来,美国国家半导体一直在电源管理芯片市场上居于领导地位。

目前功率器件热门的应用领域当属电源管理芯片。电源管理芯片市场的年复合增长率达9%,其中有部分板块的增长率远远高于这个平均增长数字。LED灯光系统及以太网供电系统(PoE)便是最具代表性的例子。

张 丹 功率器件在消费电子、工业控制、汽车电子、照明、网络通信等领域被大量采用。而节约能源,是功率半导体器件技术前进的重要方向。在降低能耗、提高效率方面,功率器件扮演着越来越重要的角色。在产业化推进过程中,简化设计、改进封装、重视环保、减低成本等呼声已愈来愈高。这不仅仅体现在消费电子类,在耐压性、工作电流以及可靠稳定性等方面要求更高的工业控制,汽车电子、网络通信等领域更加凸显了功率器件的重要性。

技术趋势及相应策略

●高功效、小体积是普遍要求

●紧贴应用需求是必然选择

王瑞兴 功率半导体器件竞争和技术开发的焦点是提高效率、增加功能性和减小体积。飞兆半导体能够利用先进的工艺和封装技术,将功率模拟和功率分立功能集成于创新的封装中,从而显著改善客户应用的能效和成本/性能比。我们利用在功率领域的领导地位,加上对客户需求和市场趋势的丰富知识以及强大的半导体技术力量,积极开发能不断实现电子产品创新的高能效产品。飞兆半导体的高能效解决方案在改善环境状况方面发挥着必不可少的重要作用。

飞兆半导体与客户,即当今领先的电子产品制造商密切合作,了解未来产品的功率设计挑战,再综合不同的解决方案以应对这些挑战,从而最大限度地减少电力需求,最终为客户带来能满足功效、噪声或其他政府法规要求的好处。飞兆半导体的关键优势,在于结合了强大的产品和技术知识,以及与全球客户的长期合作伙伴关系。

郑兆雄 功率器件面临的挑战主要在于提升电源在满载工作条件下的能效,以及降低待机状态下的能耗。在这方面,安森美半导体采取整体性的途径来解决待机功耗、工作能效和功率因数方面的问题,我们已经从提供领先的产品过渡到提供领先的整体解决方案,覆盖"从插口到插袋"的应用。

就功率器件而言,如前所述,它的一个重要发展趋势便是与集成电路的结合越来越紧密。举例来说,功率MOS型器件为了达到更好的性能,如要求更低的导通电阻,其工艺已从二十年前的几微米的技术迅速向亚微米甚至深亚微米发展。这与集成电路工艺技术的发展方向是一致的。其次,MOSFET器件的封装技术也在向大规模集成电路的封装靠近,如近年来,功率MOS器件也采用了诸如倒装(Flip)、球阵列(BGA)和多芯片组件(MCM)等较新的集成电路封装形式。

此外,对于功率器件而言,由于会有大量热量产生,因此散热就非常重要。例如,安森美半导体最近推出了高能效、低Vce(sat)双极结(BJT)晶体管产品系列,为市场提供了最丰富的高性能BJT选择。NSSxxx系列低Vce(sat)表面贴装器件是低功率耗损和高散热性能领域的领先产品,专为对能效控制要求极为严格的低压转换应用而设计。

对于安森美半导体而言,我们的技术发展策略就是深入理解终端产品的应用需求以及客户的应用要求,以及针对集成度越来越高的趋势提供更多的增值型新产品。

吴志民 关于当前面临的挑战,主要在于我们的客户希望新一代的电源管理解决方案具备高能源效率、高集成度及封装小巧等优点。因此,美国国家半导体一直致力于开发创新的电源管理技术,其中包括可支持崭新电路布局的集成电路、功率密度更高的全新工艺以及超小型的封装。此外,我们也为微处理器及射频功率放大器提供能源效率极高的电源管理系统解决方案。新方案的特点是采用闭环或开环的反馈控制方法,因此可以确保电源管理芯片能按照系统的实际供电需要提供刚好满足其要求的电压及功率输出。最后要提的一点也很重要,那就是我们不断改善WEBENCH网上仿真测试工具,以便为客户提供完善的设计技术支持,在这方面来说,我们是市场的领导者。最近,我们为WEBENCH设计工具添加多个新亮点。例如,新添加的"性能按钮"可让用户轻易优化其电源供应系统设计,而且用户选用设计方案时,可特别指定以效率还是以方案体积为决定性的考虑因素。此外,WEBENCH还添加了可支持LED设计的新工具。客户只要选定LED的配置,WEBENCH便可为客户挑选最适用的LED驱动器,让客户可以马上进行模拟测试。

张 丹 半导体功率器件种类繁多,有绝缘栅双极晶体管(IGBT),场效应晶体管(MOSFET),PFC控制器,智能电源芯片(IPD),电源管理芯片(PM IC)等诸多产品。其中,绝缘栅双极型晶体管兼备场效应晶体管的高速性能和双极型功率晶体管的低电阻性能,使其成为大功率应用领域的理想功率开关器件。根据具体应用,其特点及具体参数的要求也多有差别,不宜一概而论,以下仅以消费电子领域里的等离子电视(PDP)的应用为例叙述功率器件面临的挑战及技术发展趋势。

等离子电视(PDP)的Y-SUS基板(Scan)和X-SUS基板(Sustain)上的能量恢复电路及维持电路需要大电流控制及高速开关特性。与场效应管比较,饱和电压在170V以上时,IGBT的输出电流将大大超过MOSFET,即Vce(sat)特性会更好。而另一重要指标Tf(Turn off)虽不如MOSFET,但通过电子照射确实可以实现开关高速化。因此,IGBT已替代MOSFET成为在PDP-SUS基板的最重要分立器件。现在,为了使等离子电视(PDP)的显示更具效果,IGBT还需一定程度地提高工作电压来增大电流。同时,考虑到散热及成本等因素,在封装和制造工艺上也在寻求更进一步的改进。

功率器件产业在今后需要多个技术方面的突破,其中材料、工艺、封装、设计与控制技术尤其重要。新材料的出现和应用会带来产业质的飞跃,如SiC用于功率器件、GaN用于LED等等。而工艺和封装的不断改进会促进产业化的进程,如具有高低压模块的数模混合单片IC将会出现,数字模拟混合的功率器件将会诞生。在性能改进上,新拓扑结构等的利用颇受瞩目;而如何使器件性能被发挥至极致,软件控制技术同样将被视为又一重要环节。总而言之,高可靠性、高稳定性、高性能、低功耗、小尺寸、低成本、重视环保(符合RoHS指令)是功率器件的未来发展趋势,也是业界共同努力的目标。

业内厂家专注领域

●卖产品更需卖服务

●节能降耗是永恒主题

王瑞兴 飞兆半导体是全球首屈一指的用于系统功率优化的功率模拟和功率分立组件供应商。我们的主要市场领域是面向应用的、以解决方案为基础的产品,包括超便携产品(手机和手持式电器)、消费产品(电磁加热器、电饭煲和白色家电)、通信(联网设备)、计算机(笔记本电脑、台式电脑、服务器具、外设和硬盘)、工业应用(测试设备和工厂自动化应用)以及汽车应用(动力传动、点火和HID照明)等。

飞兆半导体是第一家也是唯一一家面向AC/DC SMPS设计(1W-1500W)提供完整功率产品组合的半导体供应商。飞兆半导体的解决方案有助于满足低待机功耗规范、简化设计、减少EMI辐射和降低系统成本。飞兆半导体的模拟产品包括:功率MOSFET、IGBT、整流器、脉冲宽度调制(PWM)IC、功率因数校正(PFC)IC、PWM/PFC二合一、飞兆功率开关(FPS)、光耦合器、电压参考、LDO。

在超便携式应用领域,飞兆半导体在功率、背光和信号调节方面的专业能力,使设计人员能够解决便携式设备所面临的小型化、功能聚合及高功效等难题。面向这个市场领域的产品包括:IntelliMAX、μSerDes、LED驱动器、功率调节器、MOSFET、电荷泵、电机驱动产品、模拟开关、逻辑产品。

在计算应用领域,飞兆半导体的解决方案能够提高功率性能、系统效率、信号质量,并缩小电路板空间。面向这一市场领域的产品包括:飞兆功率开关(FPS)、MOSFET(高低功率)、MOSFET驱动器、DC/DC控制器、音频放大器、二极管、晶体管、运算放大器、背光照明逆变器、功率因数校正IC、电机控制器。

在消费应用领域,飞兆半导体的产品能够提高功率性能、系统效率和信号质量。主要产品包括:功率调节器、MOSFET驱动器、飞兆功率开关(FPS)、光耦合器、整流器、晶体管、二极管、HVIC。

在工业应用领域,飞兆半导体针对能效比要求苛刻的白色家电和其他变频电机应用的解决方案能够满足客户对更高效率、更强可靠性和更小系统尺寸的要求。产品包括:功率MOSFET、集成了模拟及分立技术的智能功率模块(SPM)、可控硅、二极管、齐纳二极管、光耦合器、飞兆功率开关(FPS)、HVIC。

在汽车市场上,机械控制方式正逐渐转向电子控制方式,飞兆半导体的解决方案可提供高效率和高功率密度,同时降低这些应用的功耗,以满足系统的要求。我们的产品包括:功率MOSFET、智能MOSFET、IGBT、点火IGBT、整流器、LED驱动器、红外传感器

张 丹 松下电器半导体公司的产品种类繁多,包括有以SoC为主的大规模集成电路,双极型集成电路,图像传感器,模拟器件,分立器件,光器件,化合物半导体等等诸多行业。多达约20个事业领域中,重点战略事业集中在数字电视,光存储,汽车电子,图像传感等领域,并处于业界领先地位。在这些行业领域,松下电器半导体公司不仅仅为广大用户提供器件,同时也能够提供参考设计方案或完整的系统解决方案,以求更好地支持我们的商务及技术伙伴。

郑兆雄 安森美半导体把重点放在三大类战略性电源管理解决方案上。

其一是GreenPointTM高能效电源解决方案系列。安森美半导体的GreenPointTM参考设计和电源解决方案,不但解决了电源的所有功能区块应用需求,并且符合国际低待机能耗的规范,确保提供"绿色"、高效的节能解决方案,满足现在和未来对高效电源的需要,如针对计算机ATX 80 PLUS电源、CRT电视机电源和LCD液晶电视机电源、90%电源能效的适配器等。其中,就ATX 80 PLUS电源而言,安森美半导体将把能效提升到85%乃至更高的水平。

其二是计算机电源管理解决方案。为了更有效地推动产品投放市场,安森美半导体的一个重点是计算机电源领域,包括Vcore控制器、系统DDR、系统控制器等。如用于笔记本业内首个用于VR11的异步双缘NCP5381 PWM降压控制器等。

其三是数字消费类产品电源解决方案。安森美半导体在数字消费类电子产品领域投入很大力量,重点开发沟道和低Vce(sat) MOSFET,持续加强音频和数据线滤波器和产品的性能和封装,把更多的功能集成起来,以提高性能,降低尺寸。

对于功率器件的封装而言,它的作用主要在于:将裸片连接至外部电路;提供散发器件所产生热量的方式;保护裸片免受外部环境(湿气、灰尘等)影响。功率器件的许多可靠性问题都与由热循环导致的温度过高有关。因此,业界的努力重点在于:提高冷却性能;通过密切匹配封装与硅片的热膨胀系数来增强对热循环的抵抗力;增加封装材料的最大工作温度。此外,业界也在不断改进功率器件的结构。

主流厂商优势明显

●设计面向系统需求

●中国市场举足轻重

王瑞兴 飞兆半导体的器件经专业设计,几乎任何想象得到的电子系统,我们的产品都能够提高其功效,并解决最困难的设计挑战,无论是温度感应和功率管理、以至电池充电和电机控制的挑战都能应付裕如。我们为这个电能紧缺的世界提供所需的产品,用于各种应用的系统功率优化产品。

飞兆半导体在中国市场的发展强劲,推动了全球市场占有率的增加。另外,我们也继续保持在功率半导体市场占有率的第一位。我们专注于提供面向应用的、以解决方案为基础的产品,以及强大的设计支持和全面的客户合作。

随着新能量法规和技术进步互相融合,为电子产品带来了一种新的效率规范模式,半导体供应商需要开发具有更高功效的电源设计、功率管理和功率转换解决方案。飞兆半导体一直专注于开发针对现今应用所需的高能效解决方案。

吴志民 美国国家半导体的优势在于:全面顾及系统的整体需要,并确保同一设计适用于多种不同产品,使每一产品都有独特个性,对便携式产品的设计尤其有深入的认识;30年开发功率器件的经验使我们拥有功率器件及电路设计方面的专门知识及创新技术,拥有的专利多达2700项;先进的功率器件工艺及封装技术;世界级的供应链管理技术、生产能力及物流管理技术。

相关链接

MOSFET

MOSFET是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写,译成中文是"金属氧化物半导体场效应管"。它是由金属、氧化物及半导体三种材料制成的器件。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安),用于功率输出级的器件。

VDMOS

VDMOS是垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(Vertical Double-diffused MOSFET)。VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点。与双极晶体管相比,它的开关速度快、开关损耗小,输入阻抗高,驱动功率小,频率特性好,跨导高度线性。它具有负的温度系数,没有双极功率的二次击穿问题,安全工作区大。因此,不论是开关应用还是线性应用,VDMOS都是理想的功率器件。

IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

SOI

SOI(Silicon-on-insulator)技术是IBM公司在1998年研制成功,并于2000年正式应用于其PowerPC RS64IV芯片上的半导体制造技术。SOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层(如二氧化硅)上,通过特殊工艺,再附着非常薄的一层硅,在这层SOI层之上再制造电子设备。此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快,提高数字电路的开关速度。

关键字:双极  整流  稳压  PoE

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