东芝：以变革技术引领电机能效升级

在后疫情时代，随着社会生活的逐步开放，恢复被疫情耽误的经济活动将成为重中之重，其中工业控制、新能源汽车、智能家电的市场需求将会加速增长。

就电机而言，随着电气设备自动化程度的不断提高，电机的应用范围越来越广泛，单个设备的电机用量也在不断增加。据相关报道，仅仅中国国内家电市场的电机年需求量就超过10 亿台。另外，随着新能源汽车产量的高速增长和汽车电动化程度的不断提高，车用电机的需求量快速增长，一般来说经济型燃油车会配备10 个左右的电机，普通汽车会配备20~30 个电机，而豪华车会配备60~70 个电机，甚至上百个电机，新能源汽车需要的电机会更多。就电机的种类而言，随着碳达峰碳中和政策的实施，以及设备自动化程度的不断提高而带来的电机使用量的增加，电机系统的功耗变得不可忽视，再加上人们对电机低噪音、高速稳定工作以及电机使用寿命长等需求，无刷电机的渗透率逐年增长，据相关统计，无刷电机在汽车中的渗透率约为30%，在家电中的渗透率为20%。但是，相比有刷电机，驱动无刷直流电机需要一个比较复杂的电机控制驱动电路，这就给广大半导体芯片厂商提供了一个商业机会。在电机控制驱动电路方面积累了丰富的经验，相关产品已经投放市场40 多年，涵盖了消费类、工业类和车载类等应用领域，并且根据客户需求进行着持续开发改进。

作为电机驱动电路的主要供应商之一，在电机控制驱动系统中的产品主要有MCU、MCD、IPD、MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 等相关器件，分为消费类、工业类以及车载类等不同应用类型。

在直流无刷电机控制驱动IC中，采用了原创的智能相位控制技术，使得使用东芝无刷电机驱动IC的解决方案的开发过程得到优化。由于市场对于节能、电机安静运行的要求越来越高，直流无刷（BLDC）电机被广泛应用于各种场合。为了提高电机的驱动效率，通常需要一个复杂的控制流程，东芝提供的电机驱动控制电路解决方案可以简化这一流程。为了适应各种不同的应用需求，东芝开发了丰富的无刷直流电机控制驱动相关产品线，包括MCU、MCD、IPD以及用于输出驱动的分立器件，如MOSFET、IGBT以及第三代半导体的SiC产品。特别是在MCD产品中包含了驱动电路型MCD、预驱电路型MCD、控制器型MCD以及栅极驱动电路型MCD等四种类型，根据应用场景的不同，可选用不同的电路配置以满足不同的需求。

图 四种不同类型的直流无刷电机控制原理

电机控制驱动电路配置的最后一种类型采用的是：MCU+栅极驱动电路+输出电路的形式。MCU是电机控制的核心单元，为了提高电机控制的精度和速度，矢量引擎被广泛采用，传统的矢量控制需要消耗大量的软件资源。如果矢量控制软件占用了嵌入式存储器的主要容量，那么因软件资源不足会导致微控制器不能有效地工作。东芝在微控制器中引入了1 个硬件IP，它能在没有CPU详细指令的情况下处理矢量控制中的复杂计算。硬件IP 是矢量引擎。矢量引擎执行从3 相到2 相的转换、旋转坐标转换和反向转换，它们是矢量控制中的主要计算。在矢量控制中与矢量引擎配合使用将会大大提高微控制器的性能。

近年来，随着社会对电动汽车需求的增长，产业对能满足车载设备更大功耗的元器件的需求也在增加。新品采用了东芝的新型L-TOGL封装，支持大电流、低导通电阻和高散热。上述产品未采用内部接线柱结构，通过引入1 个铜夹片将源极连接件和外部引脚一体化。源极引脚采用多针结构，与现有的TO-220SM(W) 封装相比，封装电阻下降大约30%，从而将XPQR3004PB的漏极额定电流（DC）提高到400 A，高出当前产品1.6倍。厚铜框的使用使XPQR3004PB 内的沟道到外壳热阻降低到当前产品的50%。这些特性有利于实现更大的电流，并降低车载设备的损耗。

凭借新型封装技术，新产品可进一步简化散热设计，显著减少半导体继电器和一体化起动发电机变频器等需要大电流的应用所需的MOSFET的数量，进而帮助系统缩小设备尺寸。当需要并联多个器件为应用提供更大工作电流时，东芝支持这两款新品分组出货，即按栅极阈值电压对产品分组。这样可以确保设计使用同一组别的产品，从而减少特性偏差。

因为车载设备可能工作在各种温度环境下，所以表面贴装的焊点可靠性是一个需要考虑的关键因素。新品采用鸥翼式引脚降低贴装应力，提高焊点可靠性。

在碳化硅产品上，东芝已经推出了3 代产品，第三代碳化硅SiC MOSFET 推出电压分别为650 V 和1 200 V 的两款系列产品。与第二代产品一样，东芝新三代MOSFET 内置了与SiC MOSFET 内部PN 结二极管并联的SiC 肖特基势垒二极管（SBD），其正向电压（V_F）低至-1.35 V（典型值），以抑制R_DS(on)波动，从而提高可靠性。此外，与第2 代产品相比，东芝先进的SiC 工艺显著改善了单位面积导通电阻RonA，以及代表开关特性的性能指标Ron*Qgd。此外，极驱动电路设计简单，可防止开关噪声引起的故障。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年3月期）