适用于任何行业的高性能电源控制

近年来，电力电子半导体市场出现快速增长，主要是由于电动/混合动力汽车（EV/HEV）和电机驱动的IGBT器件销量增加。MOSFET 需求受到汽车电气和网络以及电信市场的推动，由于 5G 网络的普及，未来 3 年的复合年增长率为 8.3%。除了日益严格的效率要求外，EV / HEV 细分市场还受到二氧化碳减排目标的技术驱动。工业领域新动力系统、电动机和相关控制的开发和创新需要分立的高性能组件。新复合材料的使用可以通过提高所创建系统的效率来满足这一需求。

一切都是“力量”

今天，电子功率界众所周知，碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 半导体材料显示出优异的性能，与常见的硅基器件相比，允许在更高的电压、更高的温度和更高的开关频率下运行。

“我们可以看到市场明显分为三个部分，” Maxim Integrated 的首席技术官Dave Dweley说。“这些细分市场中的每一个都适合不同的半导体材料。大约 50 伏及以下的低压部分非常适合硅器件。III-V 族半导体类型所具有的优势，即全球范围内的 GaN 和 SiC 以及砷化镓，都被其成本结构所克服，只是它们的制造量与硅的制造量不同，因此它们不‘不具有相同的成本优势，或受到其他技术问题的影响。

氮化镓是一个很好的例子，其中实际的内部晶体管具有极高的性能，但将电流从晶体管输出到电路板上的导体不如硅。

在非常低的电压下，这些导体成为主要电阻，因此，GaN 在性能上没有表现出优势。对于低于 50 伏的电压，硅就是答案。对于 50 到 400 伏之间的电压，我们认为 GaN 被证明是更好的选择，因为这是寄生效应不会受到太大影响的工作区域，并且 GaN 正在迅速获得更好的成本结构。然后在大约 500、600 到数千伏以上，碳化硅有一个很好的故事要讲。”

使 SiC 在工业系统中具有优势的一个因素可能表现为 SiC 承受“雪崩”条件的能力，这可能发生在感性负载中，即使 GaN 的值有所提高。

在电机控制和电力控制应用中使用 SiC 器件目前代表了一个真正的创新时刻，特别是对于汽车和工业自动化控制。

电机控制IC还有助于执行各种操作，例如选择电机正转或反转、选择和调整速度、防止过载、限制或调整扭矩以及防止故障。

由于生产技术、创新和技术进步的快速变化，到 2022 年，汽车和运输行业将在伺服电机和驱动器的数量和价值方面占据最大的市场份额。全球对伺服驱动器、控制器和电机的需求也很旺盛，因为它们可以帮助企业提高生产效率。当前的电机控制技术涉及使用微电子设备来提供更好的速度、位置和扭矩控制，以及更高的效率。

图 1：紧凑型 4.5V 至 36V 全桥直流电机驱动器

对于每种类型的电机，都有引导和速度和/或扭矩控制技术：从直流和通用电机的电压和电流的简单控制，到交流电机的逆变器的使用，再到无刷电机中不同相位的反馈切换，用于复杂步进电机驱动序列的数字电路（图 1）。

“检测失速或过载情况，或者在不过热或不造成电气损坏的情况下充分发挥电机的性能，我们结合使用电机控制动力系统和一些智能来观察电机。这可确保电机按照应用程序期望的方式运行，并确保没有出现任何问题，需要采取措施 保护电路或电机。”

电源设计人员、电池管理系统和电动驱动器通常需要准确测量电流。电流测量是电力电子学的一个组成部分。电流传感器（不要与电流互感器混淆）可以测量直流和交流电流。电流传感器最常用的技术是闭环霍尔效应或闭环磁通门。通常，无论电源电压如何，电源要求都在低于 30 mA 的范围内。

“霍尔传感器或使用电阻分流器的电流传感器提供了检测进入电机的电流的方法——该电流的直流和交流分量”，正如戴夫所说。“不同的电机和不同的策略需要不同的传感器。 电流感应使控制器能够更好地选择如何处理电机，这就是我们看到的差异化之处。Maxim 的策略主要基于电阻电流检测。我们有几种针对该市场的电流传感产品，随着我们构建越来越复杂的电机控制设备，该功能将内置到电机驱动器中。你会看到越来越多这样的产品出现。”

任何霍尔效应检测设备的设计都需要一个能够响应通过电子输入接口检测到的物理参数的磁性系统。霍尔效应传感器检测磁场并根据电子系统的要求产生适当转换为标准的模拟或数字信号（图 2）。

电机控制活动是许多工业领域的一部分，尤其是新兴的电动汽车市场。“使电动汽车与众不同的是牵引电机，电动牵引电机。牵引电机需要两件事。它需要电机控制器，还需要电池管理系统。” 在许多市场中，能源效率和电机控制是整个系统正常运行的两个要素或挑战。

图 2：具有 PWM 抑制功能的双向电流检测放大器

能量收集

谈到电动汽车，或许我们可以考虑能量收集。回收车辆在运动和制动过程中消耗的能量是道路上能量收集背后的概念。强大的动机支持了对电动汽车的肯定：首先是环境兼容性，其次，但不是次要的，是功能简单性和能源效率。

功能简单是因为内燃机由数百个功能部件组成，所有部件都相互作用并处于运动状态，而电动汽车发动机仅由电动机组成，电动机在功能上是唯一处于运动状态的推进部件。

“能量收集是一个有趣的领域。总的来说，它在电子领域有着巨大的应用，但在车辆中，它更像是一个角落用例，因为当车辆行驶时，它会消耗大量的能量。这就是电池组如此大的原因。这通常意味着，由于牵引电机使用了 90% 的能量，而 HVAC 系统使用了几乎所有其余的能量，汽车中的其余功能，它们使用多少能量并不重要，因为有这个巨大的电池在地板下，在座位之间。” 正如戴夫所说。

下一代系统的能源问题将在使微电子技术的应用特别普遍方面发挥关键作用，例如物联网中的传感器系统，在新兴的“万物互联”中更是如此。

“挑战不仅在于在可以收集能量时收集能量，还在于在这些时间之间储存能量，然后在能量储存最终耗尽时向系统发出信号，以便当能量确实回来时，它可以优雅地醒来。”

电源管理 IC

PMIC旨在提供许多优势，包括比标准解决方案低 40% 的能源，延长电池寿命，同时提供市场上最紧凑的外形（图 3）。

图 3：3 输出 SIMO 降压-升压稳压器

PMIC 器件为产品提供电源电路解决方案。此类别包括：电压调节器、电池管理和监控器、LED 驱动器、电机驱动器/控制器。大多数解决方案为许多常见微处理器和 FPGA 的所有电源轨提供集成解决方案。电池具有与电池化学相关的复杂电流要求。电池电量可能会降至临界水平以下，在这种情况下，相关电路将无法用于各种控制应用。PMIC 在单个器件中结合了多种电源和安全功能，以减少设计时间和电路板空间。

审核编辑：郭婷