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工业数字化的依赖 谁在“驱动”工业4.0

导读: 如今,功率器件被广泛应用于各种工业设备中,用来控制、转换与调节系统的电压电流,从MOSFET、IGBT,到新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件,不同类型的功率器件满足了不同工业应用环境的需要。

技术进步与人力成本上升共同推动了工业制造升级,全球制造业发达地区都制订了相应的发展规划,例如“中国制造2025”、“工业4.0”及“工业互联网”。

在工业生产数字化、智能化过程中,我们也不应该遗忘真正“驱动”工业设备运转的半导体元器件,尤其是功率器件。如今,功率器件被广泛应用于各种工业设备中,用来控制、转换与调节系统的电压电流,从MOSFET、IGBT,到新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件,不同类型的功率器件满足了不同工业应用环境的需要。

工业应用对功率器件的要求

面向工业设备的功率器件使用条件比较苛刻,有的应用需要24小时365天无间断运转。瑞萨电子大中国区汽车电子业务中心高级部门专家落合康彦指出,设计与研发功率器件时,必须考虑两点。“一个是损耗特性,由于无间断运转需求,如何减少器件所产生的损耗对工厂电费有直接影响。而且不同应用需要不同的开关频率,工程师需要按照实际开关频率要求,决定有限考虑的是导通损耗还是开关损耗,然后决定最佳的选择;第二是可靠性,特别是无人工厂,器件故障会直接影响到工厂运作造成损失,所以器件耐受性也是需要优先考虑。”

“工业设备和自动化产线对功率器件有绝对的依赖,这些设备通过功率器件实现能量转换,功能动作的实现也是通过控制功率器件来完成。”力特公司(Littelfuse)技术应用经理杜尧生认为,现在对功率器件的要求越来越高,高效率、低功耗、小尺寸,以及容易控制和方便应用,都是工业应用对功率器件的要求。

“应用于工业的功率器件必须可靠、高效、紧凑,能够耐受抛负载,而且能在宽输入电压范围保持输出稳定,”安森美半导体应用工程经理Jon Gladish则这样表示,“此外,电源转换的损耗要小,能够在较宽的温度范围工作。”

大功率器件

大功率器件主要用于工业应用,相比小功率器件,高电压、大电流的大功率器件在设计开发和应用中需要考虑的因素更多。

“大电流高电压的产品都要考虑应力设计问题,而且大功率器件通常不是一个理想的开关器件,所以在设计时需要充分注意导通损耗、电压变化率(du/dt)、电流变化率(di/dt)等问题,二极管的反向恢复时间也需要考虑。”力特杜尧生表示,功率器件电压设定也很重要,现在cool MOS电压到1200V已经接近极限,1700V和3300V只能采用IGBT,但力特的碳化硅(SiC)MOSFET却非常容易实现1200V和1700V的最低电压设计。

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