电源的六大酷领域及动向

王莹　王金旺

摘要：节能环保离不开高能效、高密度的功率器件、模块，以及各种高精度、低能耗的控制和模拟芯片等。在此，本文选取了六大热门领域：电力电子器件、汽车电源、USB Type-C供受电、无线充电、能量收集、数据中心电源，邀请部分领军企业介绍了技术市场动向及新产品。

关键词：SiC；IGBT；汽车；电池；USB Type-C；无线充电；能量收集；数据中心

电力电子器件

lEGT与SiC降低损耗

东芝在工业领域推出大功率器件——IEGT以及碳化硅（SiC）相关产品。这些产品可以广泛用到电气机车牵引、可再生能源、电力传输、工业变频、电动汽车等工业领域，这些领域对减小噪声、装置体积以及能耗的要求越来越高。

东芝是全球第一个商业化生产IGBT器件的厂家，率先导入了“门级注入增强”技术以降低IGBT静态损耗，用该技术注册了东芝大功率IGBT的专用商标——“IEGT”。

目前东芝提供从1700V～4500V的高耐压产品系列。通过使用高耐压、高结温的IEGT及SiC材料等，可以实现节能及小型化。

在封装方面，东芝有压接式封装IEGT（PPl封装），像放大许多的纽扣电池。该封装从2000年以前开始量产，通过这种独特的双面散热结构，可以明显提高功率密度（东芝目前最高提供4.5kV 3KA PPI IEGT）。推荐对可靠性、高功率密度要求较高的客户（如柔性直流输电、海上风电等）优先选用PPI封装的IEGT。

2014年东芝推出搭载SiC二极管的混合型模块。这类产品独特的构造可以大幅度减小在电源开关时的损耗，二极管反向恢复损耗减少97%（3.3kV、1500A产品的数据），有最终客户采用东芝SIC混合模块做出的变流器比原Si模块变流器体积减少40%。

目前遇到的主要挑战是SiC器件价格高、制造良率控制困难。东芝在芯片结构设计、制造工艺设计上持续改良以面对上述情况。

东芝目前量产了三款混合型SiC模块（SiC二极管+SiIEGT）：1700V 1200A双管；1700V 1200A斩波模块；3300V 1500A单管。后续将会陆续推出All SiC模块（SiC MoS +SiC二极管）：1200V/1700V/3300V系列产品。

推荐成本敏感的客户优先试用混合型SiC模块，后续逐步切换到All SiC模块。

IGBT关断特性的提升

IGBT现在存在的一个比较大的问题是关断特性比较差，这对应用限制比较多。英飞凌是如何解决的？

以前，半导体厂家主要从产品的角度如电子学角度来实现产品的更新换代。最近，英飞凌提出PToS，也就是从产品到系统。英飞凌从系统的角度，通过与用户更多的沟通，比如UPS，包括太阳能、风能也存在导通电阻、工作温度的问题。我们从用户、系统和应用的角度来反观对产品的需求，进而提高产品的性能。对于新产品来说，我们在去年也推出了一系列新技术，包括XT技术、二极管可控逆导型IGBT技术等，在降低导通电阻、提高工作节温等方面都有出色表现。

SiC耐压更高，适合T控和EV

SiC是这两年刚刚兴起的，主要用在工控/工业上，例如产线机器人、逆变器、伺服等。车辆方面，主要是电动车（EV），此外还有工厂车间的搬运车等特种车。

相比IGBT，SiC可以做到高频；做成模块后，由于适应高频，外围器件例如电感可以减小。因此电压方面，ROHM推荐1200V的产品，这可体现出耐高压的特点。

现在ROHM SiC模块中，300A是量产中最大的电流（如图），由几个芯片并联在一起。如果一个芯片40A左右，就需要约七八个芯片并联，面积只有单个芯片那么大。绝缘层是由氧化铝等其他成分组成。

ROHM的新产品有“全SiC”功率模块，特点是高速开关，低开关损耗，高速恢复，消除寄生二极管通电导致的元件劣化问题，可用于电机驱动、逆变器、转换器、太阳能发电、风力发电、感应加热设备等。此外，ROHM的SIC二极管产品——第2代SiC肖特基势垒二极管实现了小级别的低Vf，有小级别的正向电压、快速恢复特性，开关损耗显著降低，可用于太阳能功率调节器，开关电源，EV/HEV逆变器和充电器等。

不过，和IGBT相比，SiC成本目前还不占优势。SIC二极管比硅二极管产品贵两三倍，SiC的MOSFET比硅MOSFET贵三到五倍。电动汽车上的模块产品比lGBT的模块贵五倍以上。因为模块更难封装，原材料也更贵。

汽车电源

满足电池使用寿命的电池管理系统

汽车电子系统中的许多应用电路需要连续供电，即使在汽车停泊时也不例外，比如：遥控无钥匙进入、安全、甚至个人信息娱乐系统。或许人们很难理解为什么这些系统即使在汽车停驶时仍然必须保持接通状态，但是，出于应急和安全的考虑，此类系统的GPS关联电路的确必须“始终保持接通”。这项要求并非可有可无，有了它就可以在需要的情况下通过外部操作实现基本的控制。此类应用的一项关键要求是低静态电流，旨在延长电池的使用寿命。凌力尔特一直在生产待机静态电流小于5uA的开关稳压器。

随着电池越来越多地用作汽车电源，人们同样需要最大限度地延长其有效使用寿命。电池电量失衡（电池组中个别电池单元的电荷状态失配）是大型锂电池组所存在的一个问题，其产生根源在于制造工艺、工作条件及电池老化方面的偏差。这种电量失衡会导致电池组总容量的下降，并有可能损坏电池组。电量失衡将导致电池无法进行从“充电状态”到“放电状态”的跟踪，而假如不能进行严密的电量监视，就会造成电池过度充电或过度放电，从而将永久性地损坏电池。

业界的共识是：当制作大型电池组时，需要进行电池电量测量和电池电量平衡以保持高电池容量，从而获得长久的电池组使用寿命。正是在这一应用领域，凌力尔特的新型电池管理系统（BMS）产品系列受到了用户的欢迎，已在目前已投产和路上行驶的轿车和公共汽车中使用，并且是为数极少的BMS产品之一。

中国充电基础设施有待发展

从全球来看，中国电动车的发展相比较其他国家是最好的。当然也存在一些问题和挑战。尤其在去年，整个原油的价格迅速下滑，美国电动车的数量在缩减，而中国电动车的数量在迅速上升。从整体来看，中国电动车市场发展十分迅猛，在去年基本达到百分比3位数到4位数的增长。与此相比，私家车的发展速度并不是很快。但商用车、客车的发展非常好。

从技术上来看，电池还是需要很大的突破。目前来看，如果续航里程200-300公里是比较正常的速度，但后续的电池需要达到400-500公里。我们认为这是随着后续市场发展壮大而应运而生的。等到汽车市场发展到一定速度，电池的技术肯定能达到。中国本土电池的技术需要有更多的突破。全球来看，电池的技术已经满足目前的需求，后续会有所发展，包括成本会根据产量的增长有所下隆。

中国其实已经具备达到或超过国际水平的基础。从电机和电控技术提高的角度，让系统能有更高的效率和更低的成本，英飞凌能够帮助本土和全球的企业向这个方面发展。可能就中国本土来看，最大的瓶颈是充电的基础设施的发展。首先要增加大家能看得到的充电设施，比如在工作场所或居住小区建立充电设施。第二是标准化充电设施的配置。每家车厂充电桩的接口和充电设施的要求都不是很统一，国家亟需出台统一的标准把接口和充电箱进行标准化的管理。另外，从充电速度上解决充电等待的问题可能也会加速电动车的发展。我们认为技术应该不会成为电动车推广的瓶颈。

电动汽车驱动的模块解决方案

电动汽车的运行条件不同于工业应用条件，对电驱动用逆变器的核心元器件功率模块不仅要求体积小、重量轻、效率高、冷却方法简单等，而且要求更高的可靠性、更长的寿命以及安全无故障运行。

三菱电机最早推出的是客户定制型的汽车级IGBT模块和智能功率模块（IPM），随后推出了非定制型的J-series汽车级功率模块T-PM，它是一种采用压注模封装的2inl IGBT模块，内部采用直接主端子绑定结构（DLB），提高了模块的功率循环寿命和热循环寿命，内置了硅片级的温度传感器（检测IGBT-chip的结温）和电路传感器（直接检测发射极电流），将其输出温度/电流信号用于过温保护和短路保护时可使保护更精确更及时进而更可靠，这些都是电动汽车用驱动器所需要的。同时，针对汽车级模块的显著特点，三菱电机开发了配套的汽车级驱动LVIC，它可实现无负压关断，并具有在欠压、过温及其短路故障时实现软关断保护功能。

目前，三菱电机正在逐步推出新一代的J1-Series汽车级功率模块EV PM，J1-series汽车级功率模块不仅沿袭了J-seriesT-PM的显著优点如直接主端子绑定结构（DLB）、硅片级温度传感器和电流传感器，而且采用更低损耗的第7代CSTBT。M硅片技术，使效率更高；同时采用6inl的Pin-Fin结构，使得封装尺寸减少40%，导热性能提高30%，具有更高的功率密度，更便于冷却及散热器安装，提升产品的性能价格比。

如何开发出满足汽车要求的功率模块来说，需要在三个方面进行技术创新：即功率硅片技术、封装技术以及功能集成技术。

在功率硅片技术方面，三菱电机致力于持续开发更低功耗的新一代IGBT硅片技术乃至Si硅片技术；在封装技术上，通过改进模块内部构造和绑定线技术以及底板冷却结构，减小热阻和封装尺寸，提高功率密度，同时提升模块的可靠性和寿命；在功能集成技术方面，不断优化内置的温度/电流传感器，并采用先进的智能ASIC和可调的驱动器，实现更高的精度及其性能上的优化。

前端蓄电池取电均衡芯片与电池的互相影响

从《中国制造2025》中可以看到，国家将大力发展轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、生物医药及高性能医疗器械等十大重点领域或产业。未来这些行业的发展将逐渐呈现日新月异的变化。如，新能源汽车行业在经过多年的酝酿后，发展已经如火如荼。金升阳早在3年前就已经非常看好汽车新能源行业，并针对该行业对电源的特性要求，开发了一系列电源产品。同时，针对目前大热的轨道交通、电力、医疗器械等行业，金升阳也做出了快速响应，已经积累了丰富的行业电源应用经验。

在汽车电子行业，金升阳已经积累了比较丰富的应用案例，会站在客户的角度，配合客户开发出一些行业性的创新性电源和应用方案。目前在BMS均衡应用方案中均衡芯片通常为LTC68系列，供电则是从电池上面取电，这也就使得均衡芯片与电池之间互相影响，影响系统工作的稳定性。金升阳针对该问题推出新的电源供电方案，从前端的蓄电池上取电，直接输出60VDC的电压给LTC68系列供电，完美解决问题，提高了系统的可靠性。

USB Type-C供受电

电源芯片高能效创新

USB Tvpe-C是一种新兴的USB接口形式，可不分正反插入，并集外形小、电力传输强（高达100W）和传输速度快（高达10 Gbps）等优势，符合移动设备越来越纤薄但电源适配器所需的功率却不断增加、消费者希望更快充电的趋势。USB type-C用于快速充电技术时，可承受的最大电流由micro USB的1.8 A提高至3 A。采用高通快速充电3.0时，在电源适配器里的次级端需要一个IC经由USB电缆来连接高通IC：USB D+和D-用于发送来自便携式设备的信息到适配器，次级端控制器处理所需的输出电压，解码D+和D-信号信息，请求初级端AC-DC控制器通过光耦来调节所需的输出电压。电源芯片需要最大限度地缩减尺寸、提升能效及功率密度和降低待机功耗，以配合快速充电的发展需求及符合最新的能效法规，如美国能源部DOE要求空载能耗<100 mW，欧盟CoCV5 Tier 2要求空载能耗<75mW。

安森美推出符合新的高通快速充电3.0的AC-DC适配器方案，该方案集成NCP4371次级端充电控制器、NCP4308同步整流控制器和NCP1361/6初级端稳流准谐振PWM控制器，其中，NCP4371支持充电器USB总线电压根据手机或便携式设备的需求而变化，为优化电池充电时间，USB总线电压可在3.6 V-20V以分立步骤控制。NCP4371也无需次级并联稳压器，就能实现一个充电器设计，节省了成本和所需空间。NCP1361采用初级端稳流，而无需次级反馈回路，减少外部元件，节省占板空间，启动时间少，轻载时提供固定峰值电流及深度频率反走，实现高平均能效和低待机能耗。NCP4308则作为实现高功率密度的一个选择。

具有PD功能的TYPe-C能让充电变得无处不在

具有PD功能的Tvpe-C能让充电变得无处不在。比如，你可以用同一个充电器，去给电脑，手机，移动电源充电；你也可以让手机，平板，笔记本电脑相互分享电。分享电时你可以改变供电的方向等。你可以把车载蓄电池，电动车的锂电池，以及便携式设备的锂电池都当做充电宝，为你手机充电，提供应急之需。

由于Type-C/PD既可以让所有支持Type-C/PD的设备兼容，也可以定义自己私有的充电方案，这会给充电领域带来很多可以创新的和定制的东西。要支持Type-C/PD充电，充电器端和被充电设备端都需要进行Type-C/PD的改造。硬件上，需要增加Type-C/PD的管理芯片，协议上，要支持PD协议，可以增加用户自己定义的协议。对于充电器而言，前端AC/DC的设计无需改动，但是必须能和Type-C/PD芯片进行信息和状态交互。这样Type-C/PD芯片就管理充电的过程。对于一个移动充电宝，最有意义的事情是，你可以使用PD协议进行快充，而无需用QC2.0 or QC3.0等私有协议。可以使用现成的Boost或者Buck电路，也可以根据客户需求采用不同的BUCK或者电路。因为输入电压和输入电流都可以任意选择（<20V，

无线充电

无线供电需要商业模式的转变

无线供电技术因其在移动设备市场不再需要充电时的电源线，有望提高设备连接器的安全性、防水性、防尘性，一个供电装置可用于各种终端等优势而备受瞩目。不过，构想尽管良好，真正实现起来需要的不仅是技术、标准的成熟，还需要商业模式等方式方法的创新。

首先让我们回顾一下无线供电的历史。无线供电的鼻祖是法拉第，他于1831年发现了电磁感应。1890时代特斯拉曾着手实验无线供电的商业化应用，他在纽约建立了Wardenclyffe塔，但由于与资助方金融寡头J.P.摩根的意图——进行无线通讯商业化的研究方向不符，最终导致项目搁浅。之后的近一个世纪，无线供电陷于停滞。

时间推移到1987年，市场上出现了无线充电的电动牙刷。之后的2010年前后，随着智能手机市场的爆发性增长以及频繁的电池充电需求，无线充电又重新受到了业界的重视，qi，WiTricity等标准组织开始建立，终于为这项历经漫长发展过程的技术奠定了大众化应用的基础。2012年起，随着标准制定的完备，以及包括三星、SONY、LG、宜家等初期采用者日益增加，让无线充电的发展趋于成熟。经过长期的酝酿，无线充电有望迎来被大众市场采用的重要转折时刻。

在智能手机普及的引领下，无线充电未来将会扩大到更多的产品中，包括电脑外设、家具、医疗设备以及其他便携式设备。

为了方便无线充电的设计应用，IDT推出一套符合Qi标准的5W无线充电发射器与接收器打包解决方案，包括参考电路板与相关设计资源，设计人员仅需几小时便能快速完成原型，并简化整个流程。

“为了促进无线充电的推广，IDT的商业模式也进行了调整。”Graham Robertson在“euroasia PRESS 1：1”会议上解释道，IDT通常是B2B（企业一企业）业务模式的厂商，通过无线充电套件的推出，并放在电子商务网站上销售，IDT开始尝试B2C（企业-消费者）业务模式，以便将技术扩大到更广泛的大众市场，让更多开发人员能够发挥创意，使无线充电技术的应用更为多元化。

MR加强了无线充电认知度

无线充电将是许多便携式设备的一个标准功能。如可穿戴设备出于多种原因将采用无线充电作为专用的充电方式。以助听器和医疗及临床可穿戴设备为例，将受益于这技术，实现为电池充电的同时提供防潮密封的产品用于该领域。这还将省去许多机械门或连接器，并降低相关的操作和维修成本。消费电子和计算机产品如智能手机、平板电脑、消费可穿戴、笔记本电脑和混合电脑（hybrid PC）也将是无线充电技术的主要目标应用，并将具有领先的市场销量。

磁感应（MI）技术已加强了无线充电认知度并开启了将这特性用于便携式产品的大门，磁共振（MR）技术将最终提供必要的用户体验使无线充电成功用于我们的生活。MR是将来实现无线充电的一种技术，具有许多优势，从用户体验角度将更具吸引力。无需对准设备使无线充电成为可能，用户可在相同空间为具有不同功率要求的多个设备充电，该技术可透过表面而无需接收器和发射器之间的直接接触，可在有各种金属处充电，并且可以高功率充电而不损坏便携式设备。AirFuel是提供随时可用的MR技术的唯一标准。AirFuelE着手远场无线充电，这可在更大的范围为设备供电。

15W中功率定位平板电脑

最近，多家企业展示或发布了无线充电的15W方案。

ROHM在3月上海的慕尼黑电子展上展示了取得WPC中功率Qj认证的15W以下的方案，可满足10W级应用中的无线供电。这样，ROHM从5W左右的小功率扩展到中功率市场。

ROHM支持Qi和PMA两种标准，这次展示的主要是基于Qi的产品。目前Qi中功率（15W）时效率可达约83%，小功率（5w，1A）的效率相对低一些，约75%，原因是小功率的元器件损耗稍大。

此次展示了无线供电控制IC“BD57015GWL”（接收端/终端）和“BD57020MWV”（发射端/充电端）。特点是：1.接收端/终端产品BD57015GWL搭载输出用LDO，可轻松改变输出电压，因此，无需改变供电电流即可提高输出功率。2.搭载ROHM的位置偏差检测功能，充电效率更高。具体地，当给终端充电时，如不将终端放在充电装置的中心，充电效率就会显著下降。位置偏差检测功能可对终端的位置偏差发出提醒，有助于提高充电效率。

ROHM的优势是品质，有多年的功率技术积累，而且生产采用一条龙工艺，使整个环节都有质量保证。

能量收集

能量转换芯片需要低功耗和高转换效率的双项指标

能量无处不在，能量采集和储存技术其实也并不是很新。但随着物联网的飞速发展，越来越多的应用会用到能量采集技术、能源管理系统和可充电电池，以便能够在整个产品生命周期中持续使用。很多公司都在投入去开发能量收集芯片，产生了很多创新技术：在这个领域中遇到的问题是想要将收集到的能量真正派上用场，既需要解决芯片自身低功耗的问题，还要考虑如何大幅提高转换效率，这对能量采集芯片设计提出了新的挑战。

必须积少成多地把它们收集并管理起来，这也涉及到能量存储及减小漏电流的问题，需要有能连续存储并极低漏电流的存储器件，只有漏电流远远小于收集的能量，这些采集来的能量才有可能会被用到；一旦这些采集到的能量集中管理起来后，可以被用来驱动一些短暂或脉冲型的负载；对于那些连续工作的负载就牵扯到另一个问题，低功耗和超低功耗器件，只有这些超低功耗的器件的工作损耗与采集的能量及这些能量的管理达到平衡，微能量采集才能真正被广泛应用。

针对能量采集芯片的挑战，ADI目前推出了一系列基于太阳能的能量采集芯片-ADP5090/5091/5092。这是一种非常好的解决方案。它具有极低的功耗（<300nA）并在很低的电压（380mY）下即可启动工作；它可以管理采集到的微能量并给电池（锂电池、薄膜电池、超级电容等）和电容充电，使之达到负载所需的工作电压；可以支持突发性的射频输出或MCU，并支持第二块后备电池；对于如何提高太阳能的转换效率，该芯片特别设计了MPPT控制功能来保证太阳能电池板能一直工作在最大功率点上，只需要手表盘大小的太阳能电池板即可工作。该芯片可以广泛应用于可见光照射下的任何便携式设备、无供电电源的传感器、无线发射模块、可穿戴设备等多种应用中。

数据中心电源

数据中心的电源系统将由12V转到48V

近日，google在会上宣布加入由Facebook发起的OCP计划，并将自己在数据中心设计的研究结果捐献出来，所捐出的48V电源的机架设计包含48V伺服器至负载点设计、机架层48V锂离子不断电系统等。数据中心的耗电量占全球耗电量的1.5%左右，而且还在攀升。对数据中心的供电优化，降低PUE将有助于减少炭排放，减缓全球温度升高。google数据中心PUE的提升历程，目前已经可以做到1.1以内，而同期国内的PUE平均在2.2左右，有巨大差异。

48V电源分配系统在CT设备中已经广泛使用了几十年，而在IT设备中一直采用的是12V。更高的电压意味着更低的电流，更低的线路损耗。对于上千安培的母线电流来说，细微的阻抗也会导致很大的功率损耗。随着数据中心数据吞吐量和运算量的不断提升，机架的功率持续上升。最近VR（虚拟现实技术）红遍全球，虚拟现实技术会带来海量的图形计算，将会有更多的大功率GPU使用在机房中，带来海量的数据传输，导致ICT设备的单机功耗增加，势必会进一步推高数据中心对电能的需求。根据google公布的数据，采用了48V电源分配器的新机架设计，相比传统的12V方案，电力的损耗降低了30%。数据中心的电源系统将由12V转到48V。

Vicor的48V直接到低压大电流负载点的方案已经在google的数据中心大量使用，为其30%的效率提升作出了杰出贡献。

Vicor的48V架构称为FPA，包括前端采用深降压拓扑结构的预稳压模块（PRM）和后端采用正弦幅值变换器（SAC）的电压变压模块（VTM）两部分构成。PRM输出一个母线电压，40V左右，VTM为理想直流变压器，以固定变压因子输出一个低压大电流的功率（61mm×23mm的面积里面可以输出高达180A的电流）。比如，输入端为48V，要求1.8V 100A输出，那么可以采用24：1的VTM，此时PRM的输出电压将为1.8*24=43.2V。采用不同变压因子的VTM，调整PRM的输出，可以非常高效地实现48V到POL的供电。在服务器或者交换路由器中，CPU、memorv、ACIS、FPGA这类低电压大电流芯片为耗电大户。高效地解决这些负载点是实现系统整体性能的关键。

小尺寸，高效率，高功率密度的电源成为大数据时代的基本需求

随着“云计算”概念的提出及推广，如今已经铺天盖地地渗入到社会的各个领域。几乎所有行业都在以此打造更庞大、更完善的运作体系。这些体系正常运作的基础，来源于大量的数据采集、数据传输、数据存储以及数据交换。确保所有数通设备的正常工作，确保突发条件下的稳态输出，确保故障情况下的后备供电，这些都对电源产品提出了更高的要求。小尺寸，高效率，高功率密度——这是大数据设备对电源产品的一个基本要求。由于系统高度集成，因此对电源产品的要求极高。而且，出于环保考虑，绿色能源的标准也移植到新的设备规格里。

SynQor公司通过中间总线架构技术及专利很好地解决了这些困难。BQ55系列（输入电压：35～55Vdc）和BQ57系列（输入电压：40～65Vdc）产品，满足输出电压匝数比4：1（12Vdc）&5：1（9Vdc）的稳定输出。同时，在标准工业封装的前提下，八分之一砖尺寸标准模块可带载500-600W，四分之一砖尺寸标准模块可带载600-800W。另外，四分之一砖1000W，效率高达97%的产品也即将推向市场。这些产品对广大客户的数通设备的设计研发将带来很大的便利。