内置1700V耐压SiC MOSFET的AC-DC转换器IC助推工厂智能化

本文的关键要点

各行各业的工厂都在扩大生产线的智能化程度，在生产线上的装置和设备旁边导入先进信息通信设备的工厂越来越多。

要将高压工业电源线的电力转换为信息通信设备用的电力，需要辅助设备用的高效率电源，而采用内置1700V耐压SiC MOSFET的AC-DC转换器IC可以轻松构建这种高效率的辅助电源。

各行各业加速推进生产线的智能化

如今，从汽车、半导体到食品、药品和化妆品等众多行业的工厂，既需要进一步提升生产效率和产品品质，还需要推进无碳生产（降低功耗和减少温室气体排放）。

在以往的制造业中，提高工厂的生产效率和产品品质一直是重中之重。然而，近年来，对实现无碳社会所做的贡献不仅成为评估一个企业社会贡献程度的视角，也成为引进碳定价机制乃至市场准入条件，成为左右商业往来和企业价值的重点项目。

但是，在提高生产线的生产效率和产品品质的同时推进无碳生产并非易事。为了满足这种高难度的时代需求，很多工厂开始引进更智能的生产管理系统。这种系统通过在生产线上的每个装置和设备上都安装传感器，收集各种数据，将装置和设备的运行情况、健康状态、以及成品和在制品的进度等可视化，并利用人工智能（AI）和大数据分析等手段来根据具体情况实时优化操作条件。

供电手段是工厂引进信息通信设备时的课题之一

为了让生产线更加智能，在生产线上安装的信息通信设备和控制设备（比如物联网设备、边缘计算机和网络设备）等变得比以往更加多样化。通常，在工厂中，大多用于生产的各种装置和设备会被紧密地布置在工厂车间的地面上。在推进工厂智能化的过程中，如何在现有布局中找到空隙以及如何加装众多信息通信用的辅助设备，是很大的挑战。其中，难题之一是如何为分散布置的辅助设备高效率地供电。

如果工厂内用来传输传感器所获取数据的信息网络采用无线方式，那么将无需铺设电缆。然而，电源线的情况就不一样了。一般来讲，构成制造设备的大输出功率电机和加热器等设备，需要使用至少200V的交流（AC）电源驱动，而大多数情况下需要使用AC400V的电源驱动。但是，由于以半导体为核心器件的辅助设备使用的是5V～48V的直流（DC）电源，因此需要在已安装的装置和设备用的电源之外另行配置电源。

智能化生产线对AC-DC转换器的要求

为辅助设备配置电源的最简单方法是从现有的电源线（例如AC400V电源线）获取电力，然后使用AC-DC转换器将其转换为5V～48V的DC电源（图2）。但由于信息通信用的辅助设备毕竟只是附属设备，为了避免打乱工厂内的设备布局或增加功耗，对辅助电源所用的AC-DC转换器提出了以下技术要求：

图2. 辅助电源用AC-DC转换器的应用及其技术要求

首先是体积必须很小。理想的做法是能够将构成AC-DC转换器的功率元器件和驱动器IC等半导体集成在一个封装中。另外，要通过提高AC-DC转换器的工作频率，来实现线圈和电容器等转换器组成元器件的小型化；还要通过使用低损耗和耐热性优异的功率元器件，来实现散热机构的小型化。

其次是高可靠性。生产线上的设备使用条件严苛，一旦发生故障，就可能会造成巨大的经济损失。通过一体化封装来降低元器件故障风险、并配备各种保护功能是非常必要的做法。

最后是必须具有高效率和低损耗特点。本来是为了实现无碳生产才推动生产线的智能化，但如果因此而使用的辅助电源消耗了大量电力，那就是本末倒置了。一些工业设备已经配备了用来驱动控制设备的辅助电源。然而，在很多情况下，这些辅助电源使用了耐压能力低或损耗大的功率元器件，而这就意味着它们会消耗超出预期的电力。未来，要应对AC400V以上的电源，必须要使用专门为此经过优化处理的功率元器件。

在AC-DC转换器中应用SiC MOSFET的意义和挑战

随着新的半导体技术投入实际应用，包括AC-DC转换器在内的各种功率转换电路可显著提高效率并进一步小型化。这是一种将以往主流的Si（硅）半导体衬底材料替换为SiC（碳化硅）的功率元器件。

通过将导通损耗低、开关损耗低且耐热性能优异的SiC MOSFET应用在功率转换电路的开关中，可以构建无需散热器的高输出功率AC-DC转换器。而且这种产品还支持高频驱动。利用SiC基功率元器件，可以满足工厂智能化过程中对AC-DC转换器的很多技术要求。

不过，为了更大程度地发挥出其出色的潜力，还需要配备专为驱动SiC MOSFET而优化过的驱动器IC等器件。现有的驱动器IC是针对Si基功率元器件的特性进行优化的，无法直接应用于SiC基功率元器件。

ROHM内置SiC MOSFET的AC-DC转换器的性能和应用优势

ROHM推出了内置1700V耐压SiC MOSFET的AC-DC转换器IC“BM2SC12ｘFP2-LBZ”，适用于辅助电源等应用。该芯片是将1200V以上高耐压MOSFET和栅极驱动器IC一体化封装的全球初创产品。通过将采用了Si MOSFET的AC-DC转换器所需的12个独立芯片集成于一个封装中，大幅减少了元器件数量（图3）。

图3. 将辅助电源用AC-DC转换器所需的12个元器件集成于一个封装中

另外，通过采用该产品，客户将能够以更短的开发周期开发高效率、高可靠性的小型AC-DC转换器。不仅如此，通过内置SiC MOSFET，还可以配备高精度的过热保护、过负载保护（FB OLP）、电源电压引脚的过电压保护（VCC OVP）、过电流保护、二次侧电压的过电压保护等功能，可靠性更高，适用于需要连续运行的工业设备的辅助电源。

此外，ROHM还利用其在SiC MOSFET领域积累的深厚的技术实力，针对工业设备辅助电源应用优化了栅极驱动器IC的规格。AC-DC转换器的功率转换效率从使用Si基MOSFET时的78.5%提高到83.5%，提升效果显著。控制电路采用准谐振方式，与普通的PWM方式相比，可以实现更低的噪声和更高的工作效率，从而可以更大程度地减少噪声对工业设备的影响。

可以说，ROHM的BM2SC12ｘFP2-LBZ对于构建旨在提高生产效率和产品品质并推进无碳生产的智能生产线而言，是必不可少的产品，也是应用效果非常出色的产品。

审核编辑：刘清