東芝：以變革技術引領電機能效升級

在后疫情時代，隨著社會生活的逐步開放，恢復被疫情耽誤的經濟活動將成為重中之重，其中工業控制、新能源汽車、智能家電的市場需求將會加速增長。

就電機而言，隨著電氣設備自動化程度的不斷提高，電機的應用范圍越來越廣泛，單個設備的電機用量也在不斷增加。據相關報道，僅僅中國國內家電市場的電機年需求量就超過10 億臺。另外，隨著新能源汽車產量的高速增長和汽車電動化程度的不斷提高，車用電機的需求量快速增長，一般來說經濟型燃油車會配備10 個左右的電機，普通汽車會配備20~30 個電機，而豪華車會配備60~70 個電機，甚至上百個電機，新能源汽車需要的電機會更多。就電機的種類而言，隨著碳達峰碳中和政策的實施，以及設備自動化程度的不斷提高而帶來的電機使用量的增加，電機系統的功耗變得不可忽視，再加上人們對電機低噪音、高速穩定工作以及電機使用壽命長等需求，無刷電機的滲透率逐年增長，據相關統計，無刷電機在汽車中的滲透率約為30%，在家電中的滲透率為20%。但是，相比有刷電機，驅動無刷直流電機需要一個比較復雜的電機控制驅動電路，這就給廣大半導體芯片廠商提供了一個商業機會。東芝在電機控制驅動電路方面積累了豐富的經驗，相關產品已經投放市場40 多年，涵蓋了消費類、工業類和車載類等應用領域，并且根據客戶需求進行著持續開發改進。

東芝作為電機驅動電路的主要供應商之一，在電機控制驅動系統中的產品主要有MCU、MCD、IPD、MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 等相關器件，分為消費類、工業類以及車載類等不同應用類型。

在直流無刷電機控制驅動IC中，采用了東芝原創的智能相位控制技術，使得使用東芝無刷電機驅動IC的解決方案的開發過程得到優化。由于市場對于節能、電機安靜運行的要求越來越高，直流無刷（BLDC）電機被廣泛應用于各種場合。為了提高電機的驅動效率，通常需要一個復雜的控制流程，東芝提供的電機驅動控制電路解決方案可以簡化這一流程。為了適應各種不同的應用需求，東芝開發了豐富的無刷直流電機控制驅動相關產品線，包括MCU、MCD、IPD以及用于輸出驅動的分立器件，如MOSFET、IGBT以及第三代半導體的SiC產品。特別是在MCD產品中包含了驅動電路型MCD、預驅電路型MCD、控制器型MCD以及柵極驅動電路型MCD等四種類型，根據應用場景的不同，可選用不同的電路配置以滿足不同的需求。

圖 四種不同類型的直流無刷電機控制原理

電機控制驅動電路配置的最后一種類型采用的是：MCU+柵極驅動電路+輸出電路的形式。MCU是電機控制的核心單元，為了提高電機控制的精度和速度，矢量引擎被廣泛采用，傳統的矢量控制需要消耗大量的軟件資源。如果矢量控制軟件占用了嵌入式存儲器的主要容量，那么因軟件資源不足會導致微控制器不能有效地工作。東芝在微控制器中引入了1 個硬件IP，它能在沒有CPU詳細指令的情況下處理矢量控制中的復雜計算。硬件IP 是矢量引擎。矢量引擎執行從3 相到2 相的轉換、旋轉坐標轉換和反向轉換，它們是矢量控制中的主要計算。在矢量控制中與矢量引擎配合使用將會大大提高微控制器的性能。

近年來，隨著社會對電動汽車需求的增長，產業對能滿足車載設備更大功耗的元器件的需求也在增加。新品采用了東芝的新型L-TOGL封裝，支持大電流、低導通電阻和高散熱。上述產品未采用內部接線柱結構，通過引入1 個銅夾片將源極連接件和外部引腳一體化。源極引腳采用多針結構，與現有的TO-220SM(W) 封裝相比，封裝電阻下降大約30%，從而將XPQR3004PB的漏極額定電流（DC）提高到400 A，高出當前產品1.6倍。厚銅框的使用使XPQR3004PB 內的溝道到外殼熱阻降低到當前產品的50%。這些特性有利于實現更大的電流，并降低車載設備的損耗。

憑借新型封裝技術，新產品可進一步簡化散熱設計，顯著減少半導體繼電器和一體化起動發電機變頻器等需要大電流的應用所需的MOSFET的數量，進而幫助系統縮小設備尺寸。當需要并聯多個器件為應用提供更大工作電流時，東芝支持這兩款新品分組出貨，即按柵極閾值電壓對產品分組。這樣可以確保設計使用同一組別的產品，從而減少特性偏差。

因為車載設備可能工作在各種溫度環境下，所以表面貼裝的焊點可靠性是一個需要考慮的關鍵因素。新品采用鷗翼式引腳降低貼裝應力，提高焊點可靠性。

在碳化硅產品上，東芝已經推出了3 代產品，第三代碳化硅SiC MOSFET 推出電壓分別為650 V 和1 200 V 的兩款系列產品。與第二代產品一樣，東芝新三代MOSFET 內置了與SiC MOSFET 內部PN 結二極管并聯的SiC 肖特基勢壘二極管（SBD），其正向電壓（V_F）低至-1.35 V（典型值），以抑制R_DS(on)波動，從而提高可靠性。此外，與第2 代產品相比，東芝先進的SiC 工藝顯著改善了單位面積導通電阻RonA，以及代表開關特性的性能指標Ron*Qgd。此外，極驅動電路設計簡單，可防止開關噪聲引起的故障。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年3月期）