內置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉換器IC助推工廠智能化

本文的關鍵要點

各行各業的工廠都在擴大生產線的智能化程度，在生產線上的裝置和設備旁邊導入先進信息通信設備的工廠越來越多。

要將高壓工業電源線的電力轉換為信息通信設備用的電力，需要輔助設備用的高效率電源，而采用內置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉換器IC可以輕松構建這種高效率的輔助電源。

各行各業加速推進生產線的智能化

如今，從汽車、半導體到食品、藥品和化妝品等眾多行業的工廠，既需要進一步提升生產效率和產品品質，還需要推進無碳生產（降低功耗和減少溫室氣體排放）。

在以往的制造業中，提高工廠的生產效率和產品品質一直是重中之重。然而，近年來，對實現無碳社會所做的貢獻不僅成為評估一個企業社會貢獻程度的視角，也成為引進碳定價機制乃至市場準入條件，成為左右商業往來和企業價值的重點項目。

但是，在提高生產線的生產效率和產品品質的同時推進無碳生產并非易事。為了滿足這種高難度的時代需求，很多工廠開始引進更智能的生產管理系統。這種系統通過在生產線上的每個裝置和設備上都安裝傳感器，收集各種數據，將裝置和設備的運行情況、健康狀態、以及成品和在制品的進度等可視化，并利用人工智能（AI）和大數據分析等手段來根據具體情況實時優化操作條件。

供電手段是工廠引進信息通信設備時的課題之一

為了讓生產線更加智能，在生產線上安裝的信息通信設備和控制設備（比如物聯網設備、邊緣計算機和網絡設備）等變得比以往更加多樣化。通常，在工廠中，大多用于生產的各種裝置和設備會被緊密地布置在工廠車間的地面上。在推進工廠智能化的過程中，如何在現有布局中找到空隙以及如何加裝眾多信息通信用的輔助設備，是很大的挑戰。其中，難題之一是如何為分散布置的輔助設備高效率地供電。

如果工廠內用來傳輸傳感器所獲取數據的信息網絡采用無線方式，那么將無需鋪設電纜。然而，電源線的情況就不一樣了。一般來講，構成制造設備的大輸出功率電機和加熱器等設備，需要使用至少200V的交流（AC）電源驅動，而大多數情況下需要使用AC400V的電源驅動。但是，由于以半導體為核心器件的輔助設備使用的是5V～48V的直流（DC）電源，因此需要在已安裝的裝置和設備用的電源之外另行配置電源。

智能化生產線對AC-DC轉換器的要求

為輔助設備配置電源的最簡單方法是從現有的電源線（例如AC400V電源線）獲取電力，然后使用AC-DC轉換器將其轉換為5V～48V的DC電源（圖2）。但由于信息通信用的輔助設備畢竟只是附屬設備，為了避免打亂工廠內的設備布局或增加功耗，對輔助電源所用的AC-DC轉換器提出了以下技術要求：

圖2. 輔助電源用AC-DC轉換器的應用及其技術要求

首先是體積必須很小。理想的做法是能夠將構成AC-DC轉換器的功率元器件和驅動器IC等半導體集成在一個封裝中。另外，要通過提高AC-DC轉換器的工作頻率，來實現線圈和電容器等轉換器組成元器件的小型化；還要通過使用低損耗和耐熱性優異的功率元器件，來實現散熱機構的小型化。

其次是高可靠性。生產線上的設備使用條件嚴苛，一旦發生故障，就可能會造成巨大的經濟損失。通過一體化封裝來降低元器件故障風險、并配備各種保護功能是非常必要的做法。

最后是必須具有高效率和低損耗特點。本來是為了實現無碳生產才推動生產線的智能化，但如果因此而使用的輔助電源消耗了大量電力，那就是本末倒置了。一些工業設備已經配備了用來驅動控制設備的輔助電源。然而，在很多情況下，這些輔助電源使用了耐壓能力低或損耗大的功率元器件，而這就意味著它們會消耗超出預期的電力。未來，要應對AC400V以上的電源，必須要使用專門為此經過優化處理的功率元器件。

在AC-DC轉換器中應用SiC MOSFET的意義和挑戰

隨著新的半導體技術投入實際應用，包括AC-DC轉換器在內的各種功率轉換電路可顯著提高效率并進一步小型化。這是一種將以往主流的Si（硅）半導體襯底材料替換為SiC（碳化硅）的功率元器件。

通過將導通損耗低、開關損耗低且耐熱性能優異的SiC MOSFET應用在功率轉換電路的開關中，可以構建無需散熱器的高輸出功率AC-DC轉換器。而且這種產品還支持高頻驅動。利用SiC基功率元器件，可以滿足工廠智能化過程中對AC-DC轉換器的很多技術要求。

不過，為了更大程度地發揮出其出色的潛力，還需要配備專為驅動SiC MOSFET而優化過的驅動器IC等器件?，F有的驅動器IC是針對Si基功率元器件的特性進行優化的，無法直接應用于SiC基功率元器件。

ROHM內置SiC MOSFET的AC-DC轉換器的性能和應用優勢

ROHM推出了內置1700V耐壓SiC MOSFET的AC-DC轉換器IC“BM2SC12ｘFP2-LBZ”，適用于輔助電源等應用。該芯片是將1200V以上高耐壓MOSFET和柵極驅動器IC一體化封裝的全球初創產品。通過將采用了Si MOSFET的AC-DC轉換器所需的12個獨立芯片集成于一個封裝中，大幅減少了元器件數量（圖3）。

圖3. 將輔助電源用AC-DC轉換器所需的12個元器件集成于一個封裝中

另外，通過采用該產品，客戶將能夠以更短的開發周期開發高效率、高可靠性的小型AC-DC轉換器。不僅如此，通過內置SiC MOSFET，還可以配備高精度的過熱保護、過負載保護（FB OLP）、電源電壓引腳的過電壓保護（VCC OVP）、過電流保護、二次側電壓的過電壓保護等功能，可靠性更高，適用于需要連續運行的工業設備的輔助電源。

此外，ROHM還利用其在SiC MOSFET領域積累的深厚的技術實力，針對工業設備輔助電源應用優化了柵極驅動器IC的規格。AC-DC轉換器的功率轉換效率從使用Si基MOSFET時的78.5%提高到83.5%，提升效果顯著。控制電路采用準諧振方式，與普通的PWM方式相比，可以實現更低的噪聲和更高的工作效率，從而可以更大程度地減少噪聲對工業設備的影響。

可以說，ROHM的BM2SC12ｘFP2-LBZ對于構建旨在提高生產效率和產品品質并推進無碳生產的智能生產線而言，是必不可少的產品，也是應用效果非常出色的產品。

審核編輯：劉清