英飛凌科技：專注電機(jī)驅(qū)動(dòng)三大市場 迎接電機(jī)市場新挑戰(zhàn)

陳子穎　朱樺　李國豪

基于對(duì)英飛凌2021和2022財(cái)年每季度營收對(duì)比來看，自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)、家電以及電動(dòng)汽車這三個(gè)領(lǐng)域是電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的主要市場增長點(diǎn)。這3 大電機(jī)驅(qū)動(dòng)的支柱可以很好地反映全球電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展。根據(jù)市場咨詢公司分析師的觀點(diǎn)以及客戶對(duì)市場的看法，認(rèn)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)在2023年的增長相對(duì)平穩(wěn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是功率半導(dǎo)體的重要應(yīng)用，英飛凌的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案覆蓋幾十瓦到幾十兆瓦的各類應(yīng)用。功率半導(dǎo)體產(chǎn)品包括IGBT、SiC MOSFET、高性能的AI 處理器、用于工業(yè)4.0的無線互聯(lián)的Wi-Fi 藍(lán)牙產(chǎn)品、安全芯片、采用IGBT、MOSFET 和SiC的IPM智能功率模塊和高壓大電流晶閘管以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片iMOTION? 等；應(yīng)用領(lǐng)域包括大小家電、通用變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)等比較通用的工廠自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車等。

在應(yīng)用層面上，英飛凌從家電到工業(yè)以及高端的變頻器等領(lǐng)域的產(chǎn)品也是全覆蓋的，其中家電類增加比較快的有高效制熱的技術(shù)熱泵和變頻類的大家電。就家電領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)化， 到2024年，家用空調(diào)變頻率會(huì)達(dá)到99%， 洗衣機(jī)以及電冰箱變頻率也會(huì)逐年提高，到2024 年也有94% 和75%（一共有6 億多臺(tái)），未來從家電市場的增長率以及家電變頻率的增長來看，其潛力相當(dāng)巨大。英飛凌也對(duì)市場工業(yè)驅(qū)動(dòng)的增長率進(jìn)行預(yù)測，漲幅為4.8%。

1數(shù)字控制解決方案

英飛凌面向電機(jī)控制系統(tǒng)可提供iMOTION數(shù)字控制芯片技術(shù)。它是專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，運(yùn)用英飛凌公司長期積累的系統(tǒng)級(jí)know-how（訣竅），可以在單芯片上完成單電阻采樣、無傳感器的雙電機(jī)控制和PFC 控制。客戶無需進(jìn)行電機(jī)控制編程，開發(fā)簡單、研發(fā)周期短。主要應(yīng)用于以變頻家電為主的各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制對(duì)象包括壓機(jī)，風(fēng)機(jī)，水泵以及通用電機(jī)。iMOTION 是一款用于調(diào)速驅(qū)動(dòng)器的高度集成的產(chǎn)品系列，使用直流母線電流檢測或使用橋臂電流檢測，集成了無傳感器磁場定向控制（FOC） 所需的所有控制以及模擬接口功能。在整個(gè)產(chǎn)品系列中，SmartIPM 子系列實(shí)現(xiàn)了最高層次的集成。MCE、微控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器和三相逆變?nèi)珮蚨技稍? 個(gè)無引腳的封裝元件上，構(gòu)成了1 個(gè)完整的逆變器系統(tǒng)。

英飛凌還面向電機(jī)控制應(yīng)用提供微控制器（MCU）產(chǎn)品。主要優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)。

1）英飛凌在MCU 方面擁有豐富的產(chǎn)品線，包括PSoC 和XMC，可以全面覆蓋從家電到工業(yè)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

2）從應(yīng)用的角度來看，英飛凌支持小家電、白色家電和工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及包括醫(yī)療在內(nèi)的特殊場景使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還包括商用車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，涵蓋的范圍非常廣泛。

3）從方案角度來看，英飛凌在中國有成熟的方案團(tuán)隊(duì)，可以為客戶提供整套解決方案，以滿足消費(fèi)家電和工業(yè)應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求，包括伺服驅(qū)動(dòng)和變頻器等。

4）英飛凌可以直接為客戶提供量產(chǎn)級(jí)的應(yīng)用軟件支持，同時(shí)可以把量產(chǎn)級(jí)的軟件放在評(píng)估板上進(jìn)行評(píng)估，從而幫助客戶在他們的系統(tǒng)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更出色的性能。

隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場景越來越廣泛，其對(duì)數(shù)字控制的要求就會(huì)更高。從微控制器的角度來講，PSoC、XMC算力和外設(shè)性能的不斷提升，可以在軟件控制端、系統(tǒng)控制端驅(qū)動(dòng)變頻化的上升，這樣可以推動(dòng)電機(jī)從老一代定頻驅(qū)動(dòng)走向變頻驅(qū)動(dòng)，有助于在系統(tǒng)層面大幅度提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)能效。微控制器配合英飛凌的IGBT 或者碳化硅功率器件共同使用，可以從硬件層面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的最高效率。英飛凌基于自身先進(jìn)的工藝和長期累積的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以提供這種高性價(jià)比的產(chǎn)品。此外，高端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要支持更多專用的功能，比如需要支持更多的工業(yè)通信總線協(xié)議，需要支持更快的電動(dòng)采樣系統(tǒng)等。

對(duì)于更復(fù)雜的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，英飛凌可提供基于自身MCU產(chǎn)品的高效率電機(jī)啟動(dòng)算法以及FOC 算法給客戶參考。然后，客戶可以參考英飛凌的方案來設(shè)計(jì)和開發(fā)他們自己的產(chǎn)品。此外，英飛凌還在開發(fā)更高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法，以匹配和支持即將發(fā)布的、擁有更高算力的下一代MCU 產(chǎn)品，使整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字控制部分的效率得以進(jìn)一步提升。

2電機(jī)系統(tǒng)中的功率單元

英飛凌為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用在Easy、Econo 等模塊封裝里建立了IGBT7 全系列產(chǎn)品。IGBT7 是繼IGBT4 上市后一個(gè)重要的產(chǎn)品，它采用微溝槽技術(shù)，損耗比IGBT4低，而且允許過載時(shí)的工作結(jié)溫達(dá)175 ℃，這樣定義產(chǎn)品符合應(yīng)用實(shí)際需求。IGBT7 的高功率密度使得應(yīng)用系統(tǒng)的功率密度也大幅提高。譬如匯川技術(shù)采用IGBT7的伺服驅(qū)動(dòng)SV660 1 kW，比采用IGBT4 的上一代產(chǎn)品IS620 體積減小39%。TRENCHSTOP IGBT7 和EC7 二極管技術(shù)是基于最新的微溝槽技術(shù)，使得器件損耗大幅降低，并具有更高可控性。該芯片特別針對(duì)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和太陽能逆變器應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，使得器件靜態(tài)損耗大幅降低，功率密度更高，同時(shí)開關(guān)軟度提高。

碳化硅對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可帶來3個(gè)優(yōu)勢(shì)，首先是功率密度的提高，其次可以采用自然冷卻，也奠定的高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展的基礎(chǔ)。SiC MOSFET 技術(shù)的誕生，使得1 200 V 以上也有了高速功率開關(guān)器件。而硅MOSFET主要應(yīng)用在650 V 及以下的中低壓功率領(lǐng)域。除高速開關(guān)特性之外，碳化硅還具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，尤其適合對(duì)高溫、高功率密度、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應(yīng)用。功率密度是器件技術(shù)價(jià)值的另一個(gè)重要方面。SiC MOSFET 芯片面積比IGBT 小很多， 譬如100 A1 200 V的SiCMOSFET 芯片大小大約是IGBT 與續(xù)流二級(jí)管之和的五分之一。因此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用中，SiC MOSFET 的價(jià)值能夠得到很好的體現(xiàn)，其中包括650 V SiC MOSFET。1 200 V SiC MOSFET 是高速開關(guān)器件，可以使一些應(yīng)用電路的拓?fù)涞靡源蟠蠛喕岣呦到y(tǒng)功率密度，降低成本。

同時(shí)碳化硅也催生了封裝技術(shù)的進(jìn)步，比如應(yīng)用于碳化硅單管的點(diǎn)XT 技術(shù)和采用氮化鋁DCB 的Easy 系列功率模塊。由于碳化硅芯片的成本很高，為了提高其輸出能力，散熱就會(huì)變的至關(guān)重要，所以需要利用更新的封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更好的散熱，進(jìn)而提升碳化硅的利用率，使系統(tǒng)的功率密度更高更緊湊。

3其他趨勢(shì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，傳感器為馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)以及定位提供精準(zhǔn)感測，馬達(dá)震動(dòng)異常監(jiān)測，以及在生產(chǎn)線中精準(zhǔn)定位信息。傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠提供預(yù)測性維護(hù)功能，減低甚至避免異常組件對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)程的影響。就無傳感器的電機(jī)而言，英飛凌會(huì)針對(duì)啟動(dòng)時(shí)間、各種應(yīng)用場景下的啟動(dòng)狀態(tài)、以及檢測和控制等各個(gè)方面對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，從而提高控制效率，讓整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行變得更加穩(wěn)定。英飛凌正在開發(fā)下一代用于邊緣計(jì)算和AI控制器的MCU。第一，該MCU產(chǎn)品可以在智能化的趨勢(shì)下，利用邊緣計(jì)算集成的特點(diǎn)來優(yōu)化在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端對(duì)AI 算法有需求的應(yīng)用的支持。第二是從傳感或者工業(yè)4.0浪潮下數(shù)據(jù)采集的角度來看，英飛凌擁有高性能的藍(lán)牙產(chǎn)品、Wi-Fi 產(chǎn)品、以及藍(lán)牙和Wi-Fi二合一產(chǎn)品，這些無線連接產(chǎn)品可以和傳感器一起組成1 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過無線連接的方式更加智能化地實(shí)時(shí)傳輸整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高提升整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的效率和能效。