IGBT

機電/固態式繼電與斷路器特性比較 作為討論基礎，建議先理解機電式繼電器或電路斷路器，並瞭解固態繼電器/電路斷路器的發展情形。機電解決方案產生的噪音是伴隨繼電器運用電磁效應與高速移動的金屬接點相吸/互斥的物理特性而來。其中的機械運動量可視為故障原因，實際運作上也確實是如此，但主要的疲乏部位很可能位於接點表面，因為接點傳導高電壓時逐漸彼此接近，讓產生的電弧能夠跳躍氣隙，之後接點才完全接觸。若接點被迫斷開，也會出現相同現象。在此應特別注意，致動時接點不論AC或DC都會出現電壓。以AC電壓而言，若未採用零電壓切換，則每次繼電器啟動時，很可能都會出現電弧。如此一來，接點會快速退化，甚至彼此熔合。即使在一般的使用情況下，接點間的電阻很可能會隨時間與使用量而上升，產生無法預測的行為。最後，因使用與磨耗持續造成的疲乏很可能會導致故障，限制了製造商的裝置使用壽命。 圖1　機電式繼電器的接點磨耗 以此類推，機電式繼電器也可能像低電壓切換器一樣，面臨接點彈跳的問題，但切換高電壓時，更不容易實作反彈跳。另一方面，固態切換器通常會實作零電壓切換，確保裝置在電壓，或很可能與電壓異相的電流最低時才開始傳導，即使採用DC電壓與電流，固態切換器的導通時間也較容易控制。採用目的是避免可能造成其他系統問題的湧浪電流，但最直接的影響是繼電器或電路斷路器在整個使用過程中變得更加可靠，當然使用壽命也會比機電式更長久。 基於成本、效能與功能的主要考量，工程師仍舊偏愛機電式。以成本而言，固態繼電器或電路斷路器在價格上確實較機電式高。但若考量應用的整個使用壽命，以及功能相關的維護、修復及運作(MRO)成本，則固態元件可能更占上風。主因在於以預期使用壽命衡量整體系統成本來看，機電式繼電器的運作使用壽命約落在數十萬次，但固態繼電器的使用壽命可達上千萬次。 此外，業界提供的這兩種技術價格落差正逐漸縮小。雖然機電式元件出現一些創意設計，但只是維持了平均售價，實際上更是增加售價。同時，固態解決方案的平均售價則是逐漸下滑。效能方面，傳導路徑的電阻所產生的功率耗損是最常參考的參數。以機電裝置為例，此電阻初始值很低，但終究會隨時間上升，原因如上所述。若是固態解決方案，功率損耗程度則與導通電阻直接相關。導通電阻取決於所用之半導體類型及功率電晶體之通道大小，而這兩個特性都會影響成本。雖然導通電阻通常不隨裝置的使用壽命而改變，但其為有限電阻，必須依照設計要求調整。理想中，傳導損耗及半導體成本應愈低愈好，可以按照數據進行統計，也就是導通電阻乘以面積 (RDS(on)×A)(圖2)。此為半導體製造商的關注焦點，如英飛凌(Infenion)也已經藉由自身的CoolMOS技術平台解決部分問題。 圖2　超接面 MOSFET的RDS(on)×A隨時間提升 安全疑慮是另一個考量。固態解決方案的切換速度較機電裝置快上許多，因為元件都不會移動。雖然更快的回應時間是一項優勢，但缺點則是輸入與輸出間並未提供物理性斷電。由於許多應用可能需要人為接觸機器，因此安全法規中，必須明訂高電壓輸入與輸出間的電氣隔離規範。實作電氣隔離最常見的方式就是採用氣隙，或是在傳導元件之間實際保留空間。如此一來，固態技術仍有一項缺陷，但這卻催生混合式電路斷路器或繼電器的概念，亦即使用固態裝置來切換高電壓，再運用體積較小、成本較低的機電式繼電器在輸出端提供電氣隔離，此時沒有電壓也可進行切換，進而延長有效使用壽命。與此同時，也有許多應用不需要電氣隔離。此外，電路斷路器目前適用的法規仍以機電裝置為依據，並未完整考量固態方案的優異效能。一旦法規制定趕上技術發展的腳步，電氣隔離的要求很可能就會視應用而異，不再如此嚴苛。 超接面MOSFET突破耗損限制 實作固態切換器所使用的電晶體，是採用半導體基板。如今最廣泛使用的基板材料為矽，但電晶體組態則各有不同。以AC切換，尤其是實作零電壓切換而言，通常偏好三端雙向交流開關(Triac)或矽控整流器(SCR)裝置。平面拓撲內建構的MOSFET普遍用於切換DC電壓，而IGBT則同時用於AC及DC切換器。然而，如同前述說明，這些方法都會因通道的導通電阻而造成損耗，額外產生必須逸散的熱能，如此一來就必須增加空間與物料清單來納入散熱片。 超接面MOSFET則不受限於以單一p-n接面為基礎的平面製程，而是採用多個垂直p-n接面的結構。因此，導通電阻會散布至多個並聯路徑上，降低整體導通電阻。英飛凌自1990年代起就是超接面MOSFET的開發者，且持續研發這項技術。相較於其他電晶體拓撲，此技術具優勢，尤其是導通電阻乘以面積的數值表現良好。如此一來，損耗就會相對降低，也能用在需切換高電壓與電流的應用，毋須採取散熱措施。透過英飛凌的CoolMOS 7技術，可望進一步降低RDS(on)×A，同時成功將切換損耗轉換為更低的導通電阻。此特性在固態繼電器與電路斷路器應用中所帶來的效能，能夠滿足使用者需求，因為繼電器和電路斷路器的切換頻率並不高。 MOSFET平台帶動固態繼電器/電路斷路器發展 在繼電器或混合式電路斷路器內使用固態裝置有多項優點，包括大幅加速切換時間、消弭機電裝置會產生的電弧與噪音，而且元件本身將更為可靠且可預測，同時拉長使用壽命。英飛凌在CoolMOS 7解決方案等領域的研發正努力改善弱點，以打破傳統使用上的限制。另一方面，新的超接面MOSFET平台突破固態繼電器與智慧型電路斷路器的設計，將RDS(on)×A的係數降到新低，價位也能夠滿足設計人員與終端市場的需求。此外，固態繼電器遠小於機電繼電器，體積可減少超過95%(圖3)。在電源領域中，英飛凌的超接面MOSFET只是眾多滿足創新需求的產品之一。固態繼電器與固態電路斷路器的可行性因CoolMOS 7等的發展正逐漸上升。 圖3　固態繼電器的體積大幅縮小 (本文作者為英飛凌科技產品行銷經理)

碳化矽MOSFET具有較低的導通電阻，可以在開關狀態之間快速地來回切換。因此，它們比絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)消耗的功率小得多，IGBT具有較慢的關斷速度和較高的關斷開關功率損耗。此外，碳化矽的寬能隙(Wide Bandgap)使碳化矽元件能夠在高壓下運轉。相反地，矽基MOSFET不能同時實現高阻斷電壓和低導通電阻。因此，碳化矽元件在高功率應用中變得越來越重要。 圖1　閘極驅動評估平台包括主機板、兩個外掛程式閘極驅動器模組，以及支援高達5,000瓦輸出功率的散熱器和風扇 由於碳化矽元件具有較高的功率水準，因此設計人員必須評估碳化矽元件本身及其閘極驅動器電路。碳化矽技術仍是較新的技術，因此目前在各種條件下的元件性能還沒有得到充分的發揮。 評估平台將協助設計工程師評估在轉換器電路應用中連續運轉的碳化矽MOSFET、碳化矽肖特基二極體以及閘極驅動器電路。有助於加速碳化矽功率轉換器的設計週期，進而加速最終產品上市。 功率轉換電路設計挑戰 為了使功率輸出和功率轉換電路的效率最大化，設計人員必須確保： 電源設備可在額定功率和電流下運行，並提供負載足夠的功率。 電路將內部功率損耗降至最低，以獲得最大效率。 該設計包含用於碳化矽功率元件的保護電路。 印刷電路板(PCB)布局大幅減少寄生電感和電容。 電磁干擾(EMI)輻射在允許範圍內。 該設計使用最少的無源元件，有助於降低成本、尺寸和重量。 閘極驅動器有助於實現上述目標，並可將熱能維持在規定的溫度額定值內。 圖2則為閘極驅動評估平台的簡化圖。其電源配置為半橋輸出式，未顯示的去耦電容器靠近碳化矽元件放置，以在元件切換期間保持電源電壓；去耦電容器和碳化矽元件兩端的電容器作為低通濾波器，以消除直流電源線上的開關雜訊；下方則為閘極驅動環路中的寄生電容和電感。 圖2　閘極驅動評估平台簡化圖 閘極驅動評估平台可幫助設計人員應對這些挑戰。該平台可以連續在高功率下運轉，以表徵所選碳化矽MOSFET和二極體的性能。該平台還可以在多種測試條件下比較不同的閘極驅動器，並可評估閘極驅動器的熱能表現、抗電磁干擾能力，以及驅動功率元件的能力，以使其高效運轉。最後，該平台可對設計進行分析，以提高效率、減少EMI、降低成本、減小尺寸和減輕重量。 閘極驅動評估平台本質上是一個功率級參考設計平台，它由一個主機板和一個以半橋配置的兩個碳化矽MOSFET-碳化矽肖特基二極體對組成。半橋電路在800伏直流總線電壓下可輸出最大5,000瓦的功率。主機板可以容納兩個獨立的閘極驅動器模組板，每個開關位置一個。因此，不同的閘極驅動積體電路和閘極驅動設計可以快速方便安裝在主機板上，以評估閘極驅動性能以及驅動器如何影響輸出功率。 閘極驅動評估平台的第三個主要元素是熱管理，其針對散熱器和冷卻MOSFET-二極體對的風扇。散熱器風扇子系統使功率電路能夠在頻率高達200kHz的MOSFET二極體對切換時，連續輸出高達5kW的功率。 閘極驅動評估平台的印刷電路板布局最小化迴路電感和電源電路與閘極電路之間的耦合；兩個閘極驅動電路則允許獨立評估頂部和底部閘極的驅動品質。 碳化矽MOSFET和二極體的選擇以及閘極驅動器的選擇是功率轉換設計最重要的關鍵。MOSFET必須具有電壓、電流和功率規格，才能滿足轉換器的要求。閘極驅動器有更複雜的要求。它應具有較寬的電壓範圍和足夠的輸出電流來驅動功率MOSFET。 圖3使用降壓轉換器作為負載的閘極驅動器開關損耗測試。此處顯示的是閘極驅動電壓、MOSFET漏源電流和MOSFET漏源電壓。 圖3　使用降壓轉換器作為負載的閘極驅動器開關損耗測試 推薦的驅動電壓為15至20V，以便將MOSFET切換到導通狀態；推薦電壓為0至-5V，以便將MOSFET切換到關閉狀態。閘極驅動器的峰值輸出電流範圍為1至15A，具體取決於MOSFET的功率處理能力。驅動器需要提供高脈衝電流，以減少開關瞬態期間MOSFET的開關損耗。此外，高持續電流和較小的外部閘極電阻可降低碳化矽MOSFET的高頻開關期間的驅動器溫度。 快速碳化矽MOSFET開關引起的高dv/dt使得高共模電流將流經閘極驅動器和功率轉換電路的其餘部分；高共模電流會影響控制電路中的參考電壓節點，進而導致誤操作。共模電流的大小由MOSFET dv/dt和共模電流路徑中的阻抗決定。因此，閘極驅動器積體電路及其電源都需要較高的隔離阻抗以減小共模電流。而閘極驅動器的隔離電容應小於1pF，電源的隔離電容則應低於10pF。 閘極驅動器實現電路穩定運作 傳統的做法是由光耦合器隔離，新的整合電路技術則可以採用電感或電容隔離，這些新方法被稱為數位隔離器技術。光耦合器和數位隔離器既有優點也有缺點—光耦合器提供電流，進而使其輸入不易受到EMI的影響。但是，光耦合器不能處理像數位隔離器一樣高的資料傳輸速率，並且會帶來更長的脈衝寬度失真時間。脈衝寬度失真時間是指透過驅動器積體電路的訊號延遲時間。在半橋電源轉換拓撲中，過多的延遲會產生波形失真和低頻雜訊。 光耦合器的性能隨驅動器電壓、溫度和設備壽命改變而變化。使用數位隔離器的驅動器在整個溫度範圍內具有更穩定的參數。由於數位隔離器在電壓輸入下運轉，因此它們更容易受到EMI的影響。但總體來說，與使用碳化矽MOSFET功率轉換電路閘極驅動器中的光耦合器相比，數位隔離器更穩定的運轉參數使其成為更好的選擇。 對於大功率電路，必須採用保護機制來防止元件熱失控以及由於故障而損壞元件和電路。強烈建議採用帶有保護電路的閘極驅動器積體電路。閘極驅動積體電路應具有去飽和(De-sat)保護，故障情況下的軟關斷、米勒(Miller)鉗位電路和欠壓鎖定(UVLO)。 發生負載短路時，去飽和保護電路會關閉MOSFET。軟關斷可避免較大的瞬態電壓過衝，並在直通故障期間(兩個MOSFET同時導通)關閉MOSFET。Miller鉗位電路透過從寄生漏極-閘極電容中釋放電流來避免直通條件，進而避免閘極電壓的瞬態上升。鉗位電路可防止MOSFET在應處於關閉狀態時導通。如果用於閘極驅動器輸入或隔離輸出電路的電壓供應過低，則UVLO電路會關閉閘極驅動器，以保護MOSFET免受錯誤的開關時序的影響。這些保護電路確保更堅固和安全的電源轉換電路。 PCB板布局對動態電路(如高效功率轉換電路)的性能則有重大影響。PCB走線和接地層的寄生電容和電感會增加電路中的寄生電容和電感；閘極驅動迴路中的寄生元件會降低MOSFET的開關性能；閘極-源極電容則迫使閘極驅動器積體電路產生更高的驅動電流。雜散電感會增加閘極-源極電壓的過衝，並導致在MOSFET開關期間產生振鈴。 為了減少雜散電容和電感，可將閘極驅動器、閘極電阻和去耦電容靠近MOSFET閘極，使閘極路徑盡可能較短。透過將閘極返回路徑直接布置在閘極電源走線的正下方，可將環路電感降至最低。最大化MOSFET閘極走線和漏極走線之間的距離，以減小閘極-漏極電容的大小。這種做法會切斷進入閘極的電流，進而降低米勒效應。 此外，電源轉換電路下方的接地層會增加電容耦合；避免在使用MOSFET開關的功率轉換電路中使用接地層。所有這些PCB布局建議均已在閘極驅動評估平台中實施，以避免訂製測試板的設計、布局和測試(圖4)。 圖4　產生波形的測試條件：輸入電壓=800V、輸出電壓=400V、開關頻率=100kHz、輸出功率=2.5kW 閘極驅動評估平台透過使用不同的閘極驅動積體電路，可以方便比較開關損耗和開關瞬態，並考量在連續開關條件下運轉的降壓轉換器，評估閘極驅動器的情況。降壓轉換器的運轉頻率為100kHz，輸出為2.5kW。 驅動器整合電路的驅動能力和所使用的外部閘極電阻將影響碳化矽MOSFET的開關瞬變和整體開關損耗。在此測試中，第一個閘極驅動器的額定驅動電流為14A，第二個閘極驅動器的額定驅動電流為2A。每個閘極驅動器均使用10Ω和1Ω閘極電阻進行測試(圖5-1)。 圖5-1　具有兩個不同驅動器積體電路和一個10Ω閘極電阻的MOSFET導通瞬變。 10Ω閘極電阻消除了閘極驅動器性能上的差異。10Ω的閘極電阻會降低MOSFET的瞬態開關速度，進而增加開關損耗。高輸出電流驅動器和低輸出電流驅動器之間的差異更加明顯。當以較低的閘極電阻使用高輸出電流驅動器時，MOSFET的開關速度更快。與較高的閘極電阻相比，較低的閘極電阻確實在開關轉換期間產生更多的振鈴。設計人員必須找到閘極驅動器、閘極電阻和MOSFET的較佳組合，以大幅降低開關損耗(圖5-2)。 圖5-2　具有兩個不同驅動器積體電路和一個2Ω閘極電阻的MOSFET導通瞬變。 閘極驅動器評估平台可藉助散熱器和風扇來評估驅動器積體電路的熱能表現，這些散熱器和風扇使MOSFET能夠在連續開關輸出狀態下運轉。該平台還可用於測試驅動器保護功能。 簡而言之，閘極驅動評估平台是一種有助於評估碳化矽元件和閘極驅動器的工具。透過將閘極驅動模組插入主板，設計人員可以很容易比較不同閘極驅動器積體電路的效率和熱能表現。設計人員可以使用評估平台上的PCB布局技術和推薦元件來克服碳化矽元件的設計挑戰，進而開發高效、熱可控和受保護的電源轉換電路。因此，該評估平台可以更快設計高效的功率轉換電路，並加快產品上市時間。 (本文作者皆任職於Littelfuse)

本文將依據ISO 26262針對嵌入式安全系統開發提出的相關建議，介紹高壓(HV)電池電動車的功能安全概念，其中將涵蓋ISO 26262的方法，並考量依此安全概念完成的不同工作產品： ．ISO第3部分—項目定義、風險評估、安全目標定義。 ．ISO第3部分—高壓牽引變頻器功能安全概念。 ．ISO第4部分—高壓牽引變頻器技術安全架構。 ．ISO第4部分—系統故障檢測及響應。 汽車硬體設計需定義安全項目 汽車電子元件日漸增多為汽車產業的共識。汽車開始變得更加精密複雜，並納入各種感測、思考及執行功能以輔助駕駛使用，電子元件的形式已經改變。特別是油電混合車及電動車將大幅成長，而自駕功能也是一樣。 朝向全電池電動車的目標發展需經過多步驟程序，其中包含由基本的電氣化系統轉變為功能更豐富的系統，並包括移轉所有高功率負載。業界在前述轉變過程中的關鍵挑戰之一，就是確保系統承受峰值狀態的強健程度。 市場迅速成長，許多國家以政策獎勵促進成長。而各界擔憂長期永續發展問題，因此強烈要求對排放、材料及製程訂定更嚴格的法規。不過目前電動車的商業模式無法讓OEM長期獲利的問題需待解決，因為基本電動車的平均預估成本仍是一大問題。OEM將尋求各種方式消弭成本落差，如在內部自行處理更多設計工作，或是跳過第一層供應商，直接與IC供應商接洽。這裡所面對的困難，在於以全新方式結合ECU及成套功能，以整合嵌入式電子架構。 因此業界合作夥伴密切合作，加速找出方法因應以上限制。其中一種方式為開發參考設計，結合系統知識及安全專業。這代表參考設計從一開始就要納入關鍵安全系統要素。若要開發硬體參考設計的安全概念，必須能定義安全目標、概念及功能，讓預定項目能夠識別適當的系統實作，進而納入系統設計中。 ISO 26262 V週期程序流程 ISO 26262針對車輛安全系統產品的各個開發階段提供建議及準則，協助達成適當程度的功能安全成熟度。ISO在第2、第8及第9部分說明程序及方法，此外也說明V週期專案開發過程中，有關特定工作產品的技術層面，以及需要執行的各項審查(圖1)。透過第一層供應商或系統供應商，V週期由上而下，從OEM到IC供應商考量功能安全開發事宜。視公司在電動車開發中所負的責任而定，開發階段期間可能適用第3、第4、第5、第6及第7部分的內容，或選擇量身打造。 圖1　ISO 26262 V週期程序流程 如果以系統供應商開發變頻器模組作為電動車SEooC為例，就可適用第3部分的用途假設、第4部分的系統、第5部分的硬體、第6部分的軟體，以及第7部分的主要生產。而第10及第11部分為ISO 26262的應用準則。 V週期需參考設計安全概念 如簡介所述，IC供應商預期及開發系統ECU的方式，與傳統第一層相同。如此可加速開發時間，提供標準交付項目，並有利於整條生態鏈。其中的目標並不一定是提供解決方案，達到第一層所能提供的相同成熟度，而是為第一層加速開發工作產品。不過，為了適當定義安全概念，使其盡可能接近客戶安全概念，應針對ISO各部分內容進行開發作業。除了專門用於第一層量產的第7部分以外，IC供應商的重點就是因應V週期的各部分需求(圖2)。 圖2　ISO 26262 V週期程序流程 第3部分引導協助建立安全概念，定義目標系統中的項目，其中也包括初步功能安全架構，以及功能安全概念不應違背的可能危害及安全目標。本部分內容可協助客戶輕易瞭解業者提出的參考設計內容是否與其應用相符。 第4部分為技術說明及定義，以所需系統產品的系統架構需求為依據。本部分也定義及分析所有系統故障，以便定義診斷達到適當的安全層級。 第5部分及第6部分是軟硬體架構開發的V週期以及相關原型。本文涵蓋所有安全驗證及認證要點，並協助確認安全概念。 高壓變頻器開發安全目標/架構剖析 ISO 26262說明需要定義的項目，以便系統概念開發著手進行。 項目定義 這將釐清預定項目及系統的範圍與邊界，以及初步項目架構(圖3)及分配的功能假設。 圖3　電動車的高壓變頻器 在電動車的高壓變頻器範例中，功能假設可概述如下：變頻器是電動車的主要牽引系統，依據車輛控制單元(VCU)提出的扭矩需求，負責控制電源(HVDC電池)及電動馬達機械軸之間的能量轉換。VCU解讀駕駛指令，作為電動馬達的加速或減速要求。變頻器將此扭矩要求轉譯為進入牽引馬達的相位電流。在較先進的電池電動車中，通常是以沒有離合器的簡易變速箱連接馬達軸及車輪。 這是本文的第一項假設，其中關鍵是要具體明確，因為如果車輛設置離合器，安全概念及安全狀態就會不同。就現有的情況而言，萬一發生危害，駕駛或電動系統光是斷開電動馬達與車輪之間的連接，將不可能停止車輛牽引。 HARA及安全目標 HARA及安全目標的定義，一般是在OEM層級進行的大型分析，並提供給第一層供應商，作為對預定開發系統的需求。此項程序於ISO 26262第3部分定義，目標是分析定義項目故障時對人類的影響。其中提出所有可能駕駛及非駕駛情境有關的所有可能EE系統故障，同時考量各種操作及環境條件(圖4)。 圖4　EE系統情境 ISO 26262 ASIL表格(圖5)使用一組風險參數定義ASIL等級，涵蓋品質管理(QM)至最嚴重的ASIL D。這樣就能依據此項排名，針對危害指定相關的ASIL等級。一旦識別危害及安全目標，就能針對各項危害定義安全狀態及故障容錯時間間隔。安全目標是最高層級的功能安全需求，並由此衍生所有其他的安全需求。 圖5　ASIL表格 第二層供應商，很難由OEM取得這些安全目標及危害資訊。不過必須能夠對自身開發的任何系統，提出所考量使用案例的明確證據，包括合理分析的HARA，以便為客戶釐清安全目標。筆者考量合理的情境選擇，主要將重點放在最糟的情況。電動車高壓變頻器的危害及安全目標清單範例如圖6所示。 圖6　電動車高壓變頻器的危害及安全目標範例 功能安全概念 有了以上的假設、項目定義，以及危害和安全目標，就可定義第一批高階系統功能。之後將定義首要功能需求(FR)及相關的高階功能安全需求(FSR)用於功能安全架構(圖7)。 圖7　功能安全架構 高壓變頻器的功能安全架構，則可概述為圖8所示的主要功能及安全功能。 圖8　功能及安全功能 ASIL等級和FTTI與安全目標衍生及直接承襲的安全需求有關。之後ASIL等級會傳播給ISO第4部分所述的較低層級需求與技術系統安全架構。 因此在此功能層級中，項目定義、危害及安全目標假設，以及功能安全架構及需求，都是IC供應商客戶的第一批首要交付項目。這些首要交付項目應協助他們瞭解個案研究及開發的參考設計是否與其想要開發的應用相符。如果並未完全相符，就需分析其中落差並建立行動計畫，以合併客戶及供應商的安全概念。 技術安全概念滿足實作需求 技術安全概念是指依據安全及非安全需求完成的系統架構設計，其中提供系統架構適當性的理由，以滿足第3部分實作的項目定義、安全目標及功能安全需求的安全需求及設計限制。 技術安全概念之後將分隔，並代表達成預定項目及系統功能所需的全部軟硬體子要素功能。必須指定所有安全機制及故障偵測反應，以避免在技術功能故障時違反安全目標(圖9)。 圖9　技術安全概念 ISO 26262建議對系統設計架構執行安全分析，例如FTA或安全FMEA，以定義這些安全措施。這有助於詳盡識別所有可能以單點故障或潛在故障形式違反安全目標的系統故障。之後會以故障偵測功能處理各項故障，以減輕故障及降低其嚴重性。 使用此項安全分析可建立安全機制清單，衍生成為新的安全需求，然後分配至所有安全相關的系統架構區塊，並於安全分析時加以識別。所有安全機制定義，是以偵測故障的運作、技術及時間條件為依據(圖10)。安全機制技術定義可提供證據及適當反應，足以在FTTI之前達成安全狀態，而且不會違反項目的安全目標。 圖10　故障反應定義 安全機制可能是硬體或軟體。故障及安全機制清單有助於定義軟硬體架構，以及執行ISO第5及第6部分的FMEDA。 各項故障偵測的反應已被定義。擬定此反應流程的目的是讓系統回到安全狀態。在使用電動車高壓變頻器的情況下，安全狀態的定義相當複雜，原因是有大量能量流入電動馬達。在部分情況下，這可能會造成不穩定狀態而無法確保系統要求的安全狀態。 因此，依據定義安全機制彙總的系統故障清單，應由故障相關的適當安全狀態適當完成。本項系統故障偵測及反應矩陣為恩智浦在系統安全啟用範圍內提供的部分交付項目。 於ISO 26262第4部分開發的不同工作產品，包括技術安全架構及需求、安全分析及系統故障矩陣，可有效協助客戶評估業者提出的參考設計，提供安全完整性證據，證明能夠達成預期的功能安全完整性。這些工作產品就是TSC滿足項目頂級安全需求的論據及理由；此外，還向客戶提供可重複使用及微調的資料，以便將參考設計個人化，配合客戶本身的應用開發工作。 安全狀態定義 安全狀態定義以及在安全狀態中要求過渡的所有故障事件，也是技術安全概念的重要一環。安全狀態機器、安全狀態定義及圖式和過渡需求，均於此技術安全概念中定義。 就變頻器模組而言，其中存在多項複雜的安全狀態。故障時的安全狀態目標，就是停止車輛推進，因此要向電動馬達提供0扭矩。最直接的解決方案，就是斷開所有變頻器的IGBT，讓電流不會再送往電動馬達。不過視駕駛狀況而定，這可能對馬達產生高度的煞車力—直接作用於車輪，尤其是在高速情況下，對駕駛而言可能相當危險。 斷開所有IGBT，並不一定是讓車輛回到安全狀態的解決方案。就以上範例而言，安全狀態可能是讓馬達的三個相位短路，因此需要斷開或關閉所有三個高側或低側IGBT。圖11概述高壓變頻器系統的三種主要安全狀態。也存在其他選項，如降低電力或由PWM確保0扭矩控制。 圖11　主動短路三個馬達相位 圖11.1　主動短路三個馬達相位 圖11.2　三相位開路 圖11.3　三相位開路 安全架構客製化符規格要求 在此部分的ISO 26262中，大部分軟硬體工作產品均以類似方式量身打造，符合軟硬體需求規格。本階段僅開發軟硬體架構、示意圖及配置。如前所述，目標並不是比照第一層提供通過認證的變頻器模組，而是建立參考設計供客戶使用，作為包含安全概念的Asample原型。這樣客戶就能在開發及原型階段增加三至六個月的時間。 硬體安全架構 為了產生Asample原型，其中假設之前識別的程序流程及工作產品，具備足夠的成熟及詳細程度，能夠建構適當的Asample硬體安全架構，並向客戶提供證據，證明已考量及滿足其關切的安全問題。 接著將依據以上假設及定義，由系統安全概念衍生硬體安全架構。其中將選擇及附加所有IC元件，以滿足有關診斷以及對安全狀態反應的安全需求。在此恩智浦提出的參考設計，是以該公司IC建構完整架構。為打造安全系統，需將建立硬體架構原型，以便透過注入系統故障的方式驗證安全概念。而在技術安全概念中定義的系統故障及安全機制將接受測試；原型則支援業者在軟體系統啟用套件中，所提供的軟體應用開發及安全機制程式庫。 硬體FMEDA搭配IC系統故障模式 安全分析是ISO 26262的重要環節。FMEDA等安全分析會在不同的系統層級執行，是業者與客戶分享的重要交付項目。由於FMEDA在IC層級的目的是執行詳盡完善的IC故障分析，因此通常過於詳細，並不適合在系統層級使用。 為了簡化詳細FMEDA的結果，需要在系統故障模式中由IC故障模型重組故障。例如閘道驅動器的所有內部邏輯故障，可利用相關的λsafe、λMPF及λRF重組為一個故障模式(FM)內部邏輯。之後這些數據就可在系統層級導入更高層級的FMEDA。 這項概念雖然簡單，但系統安全分析所需的精細度，將成為複雜度的來源。有些故障可輕易重組，但有些故障仍然必須維持低度的詳細程度。例如在電源管理IC中，負責系統點火的輸入僅由系統安全機制保護，而不是IC安全機制。在這種情況下，重要的是確保獨立研究此項針腳及故障，不要與其他區塊重組，以避免單點故障。 軟體安全架構 圖10中開發的故障反應表，是ISO 26262第4部分的一部分，強調系統需要執行的定期檢查及反應清單，其中大部分檢查程式都是在軟體執行。為了簡化使用此項安全概念，恩智浦已開發一項軟體程式庫交付項目，可實作這類檢查程式及程式庫(圖12)。 圖12　硬體安全概念 此程式庫是由多個模組組成(圖13)。 圖13　簡化的安全變頻器程式庫架構 ．檢查程式是應用程式診斷功能，會定期呼叫使用，如馬達強度檢查、扭矩監控檢查程式和電流感測器檢查程式。 ．安全管理程式負責計數故障，於超過臨界值時呼叫反應管理程式，此外也負責在初始階段期間注入故障，以驗證各項檢查程式是否正常運作。 ．安全管理程式偵測到故障後，反應定序器負責讓系統轉移至安全狀態。 ．其他必要的模組，如核心間通訊負責管理非安全核心(QM)間執行馬達控制時的資訊分享，安全核心(ASIL D)則執行安全檢查，此外，記憶體管理則負責保證核心間隔離。 本文所述的參考設計遵循ISO 26262開發程序提供技術工作產品，對客戶而言相當寶貴。這項參考設計不僅協助加速開發時間，也提供一定程度的技術安全架構，說明分配至各個故障類型的故障及安全機制。本項提案硬體架構安全完整性層級的成果證據，是本套件的部分內容。因此客戶能夠依據需求判斷、重複使用及修改內容，達成自身的概念假設。 (本文作者皆為恩智浦半導體資深研發工程師)

英飛凌1200V CoolSiC MOSFET模組系列新添62mm工業標準模組封裝產品。62mm封裝之產品採用半橋拓撲設計及溝槽式晶片技術，此封裝為碳化矽打開了250kW以上，矽基IGBT技術在62mm封裝的功率密度極限，中等功率應用的大門。相較於一般的62mm IGBT模組，碳化矽的應用範圍更擴展至太陽能、伺服器、儲能、電動車充電樁、牽引以及商用感應電磁爐和功率轉換系統等。 圖　此62mm模組配備英飛凌CoolSiC MOSFET 實現極高的電流密度。來源：英飛凌 該62mm模組配備英飛凌CoolSiC MOSFET，可實現極高的電流密度。其極低的開關損耗和導通損耗可減小散熱元件尺寸。在高開關頻率下運作時，可使用更小的磁性元件。透過英飛凌CoolSiC晶片技術，客戶可以設計出尺寸更小的變頻器，進而降低整體系統成本。 新產品採用62 mm標準基板和螺絲固定方式，具有高強固性的外殼結構設計，且設計經過最佳化，可達到最高的系統可用性，同時降低維修成本以及停機損失。良好的溫度循環能力和150°C的連續工作溫度(Tvjop)，帶來系統可靠性。其對稱性的內部設計，能讓上下開關達到相同的切換條件。亦可選配熱介面材料(TIM)，以進一步提高模組的熱效能。 採用62 mm封裝的CoolSiC MOSFET 1200V分別提供6mΩ/250 A，3mΩ/357 A和2mΩ/500A型號選擇。另外還推出有助快速特性化(雙脈衝/連續作業)的評估板，為便於使用，還提供了可彈性調整的閘極電壓和閘極電阻。此外，還可作為批量生產驅動器板的參考設計。

貿澤電子(Mouser)即日起供貨英飛凌(Infineon)各類型的家電解決方案。英飛凌家電產品包含完整的電源管理裝置、感測器、收發器和安全晶片等解決方案選項。 貿澤電子網站全新推出的英飛凌家電解決方案頁面提供了各項便利資源，方便開發人員研究及選擇最好的家電設計產品。可在頁面瀏覽多樣化的產品選項，包含iMOTION IMC100高效能馬達控制IC，這些IC採用永磁同步馬達的磁場定向控制，為變速驅動器提供立即可用的解決方案。IC同時整合必要的硬體及控制演算法，可針對冰箱和其他大型家電中的馬達系統縮短其設計上市時間。 英飛凌CIPOS Mini智慧電源模組專門設計用於控制AC馬達驅動應用，並各自針對洗衣機和冰箱等目標應用的不同需求最佳化。CIPOS Mini裝置具有優異的熱傳導與電氣隔離功能，是冰箱、空調機、洗衣機和其他白色家電內功率應用的良好選擇。 650V TRENCHSTOP IGBT6溝槽式電場截止絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 提供同時適用於大小型家電及HVAC應用的最佳化切換解決方案。TRENCHSTOP IGBT6裝置具有低切換損耗，和高達30 KHz的高切換頻率，有助於簡化內部設計，同時改善熱管理效率。

據國際能源署(IEA)估計，2020年全球電能需求的峰值將達到30拍瓦(Petawatts)，未來還會持續增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源，但無論如何，功率轉換裝置效率對於最大程度降低成本和電能損耗至關重要。 工業馬達消耗了50%以上全球能源，但是資料中心也非常耗電，而電動車(EV)充電亦對電網造成更大的負荷。電氣化的發展趨勢，已促使「更智慧」且耗電更少的創新技術蓬勃發展，但是電源轉換相關元件也須跟上步伐，其損耗必須再創新低。寬能隙半導體(WBG)將是實現此一目標的關鍵。 功率轉換器設計者的目標，是以最高效率將來自配電系統的電力轉換為不同的直流(DC)或交流(AC)電平。出於安全或功能層面考量，可能需要電氣隔離，並且輸出電壓可能要求更高或更低。目前業界最通用的功率轉換器，大多是採用開關模式來進行電源轉換。 最原始的雙極開關技術，目前已經被矽MOSFET所取代，IGBT則仍是高電壓/高功率應用的首選。但寬能隙半導體，如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)，已成為轉換器拓撲架構中強有力競爭者。設計者通常會使用「諧振」型拓撲以獲得最佳效率，三相電橋則廣泛用於馬達控制。 無論採用何種拓撲架構，導通電阻和可能具有高瞬時值的開關轉換，都會造成損耗累積(圖1)。 圖1　在開關轉換期間，MOSFET峰值功耗可能在kW範圍內 半導體中開關損耗與每秒轉換次數成比例，因此低頻率下損耗更小。但是，開關頻率越高，電源設計者便可以使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動元件，因此在實際中，開關頻率選擇是一個折衷方案，其開關頻率的範圍可以從馬達驅動器的數kHz，到資料中心的DC-DC轉換器的數MHz。 開關轉換期間的大量損耗，是由對元件電容(COSS)進行充電和放電所需能量(EOSS)引起。因此，EOSS、COSS以及導通電阻(RDS(ON))，都是開關元件性的關鍵參數。導通電阻與管芯面積乘積，即RDS(ON)．A是總損耗的品質因數(FOM)，電容及其相關開關損耗隨管芯面積減小而降低。 寬能隙材料特性擁有先天優勢 SiC和GaN等寬能隙半導體，需要相對較高能量才能將電子從其「價帶」移動到「導帶」。高能隙值會導致更高臨界鑿穿電壓和更低漏電流，尤其是在高溫下。WBG元件還具備更好電子飽和速度，從而導致更快轉換，而SiC擁有特別好導熱性。在圖2中將寬能隙特性與矽進行了比較，在所有狀況下，值都是越高越好。 圖2　寬能隙材料與矽材料的特性比較 對於給定厚度，寬能隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右，因此SiC漂移層可以薄10倍，摻雜濃度可以是10倍。寬能隙材料與Si相較，能夠提供比Si低很多的導通電阻，並且相應降低同樣管芯面積的損耗。由於SiC具有高導熱性，所以管芯可以非常小，因而具備出眾RDS(ON)．A(FOM)。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS(ON)．A比較。 圖3　在相同電壓下，WBG和矽材料之間的RDS(ON)．A比較 SiC和GaN大大降低了對閘極驅動功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量閘極電荷才能有效開關。對於較大IGBT，這可能需要數瓦驅動功率，從而導致系統損耗。對於WBG元件，即便在高頻下，損耗僅是毫瓦級。 WBG元件還有其它優勢：相較矽元件，可以在更高溫度下運作，最高可超過500℃。儘管封裝限制了實際操作值，但高峰值容量顯示了可用餘量。相較矽元件，WBG閘極洩漏和導通電阻隨溫度變化也要小很多。 成本降低提高WBG元件吸引力 WBG元件成本一直高於矽，但卻在逐步降低，而連鎖式系統優勢在很大程度上抵消了這一點。例如，隨著效率提高，其他部件(例如散熱器)以及濾波器中的電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應減小。更快的開關速度，使電源系統對負載變化的回應變得更快，馬達控制也更平滑，也讓基於WBG元件的電源系統變得更有吸引力。 總體而言，使用WBG元件帶來的優勢意味著可以將它們用於電源轉換的任何新應用，設備製造商也在不斷完善技術，從而使元件易於使用且堅固耐用，尤其是在短路和過電壓等故障條件下。英飛凌(Infineon)選擇了一種溝槽架構(圖4左)，可在低閘極電場強度下實現低溝道電阻，從而提高了閘極氧化物介面之可靠性。該公司的增強型GaN高電子移動率電晶體(HEMT)元件則採用平面架構(圖4右)，並且與SiC FET不同，它們沒有本體二極體(Body Diodes)，使其特別適合於「硬開關」應用。GaN元件額定電壓為600V，而SiC額定電壓則為1,200V或更高，但在特定電壓額定值下，GaN RDS(ON)理論極限約比SiC好10倍。 圖4　英飛凌的SiC(左)與GaN(右) FET結構對照 意法半導體(ST)則宣稱其1,200V SiC MOSFET具有業界最高額定溫度200℃，並且在溫度範圍內具有同類領先極低導通電阻。非常快速且堅固的本體二極體避免了外部二極體需求，從而節省了馬達驅動器等應用中換向電路空間和成本。 羅姆(ROHM)在SiC MOSFET市場中也有產品供貨，其最新元件具備高成本效益和突破性能。ROHM據稱開發了業界首款具有共封裝(Co-packaged)的反平行SiC肖特基屏障(Schottky Barrier)二極體SiC MOSFET，可滿足要求苛刻的換向開關應用要求。 WBG市場上的另一家供應商GaN Systems，則專注於其獲得專利的封裝技術，從而可最大限度地利用GaN速度和低導通電阻。其「島嶼技術(Island Technology)」將HEMT單元矩陣與橫向佈置金屬條垂直連接，以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外，該公司GaNPX封裝技術沒有引線鍵合，可提供最佳熱性能，高電流密度和低外形。 GaN市場的一家先驅公司Panasonic推出了擁有專利技術的X-GaN元件，以實現「常關」運作而不會出現GaN中的「電流崩塌(Current Collapse)」現象，這種效應源於汲極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以暫態增大導通電阻，可能導致設備故障(圖5)。Panasonic閘極注入電晶體(GIT)技術能夠產生真正的「常關」 GaN元件，可用與Si MOSFET電平相容的閘極電壓來驅動。 圖5　Panasonic GaN單元不會有「電流崩塌」現象出現 WBG元件普及可期 WBG在功能層面勝過矽，當下的應用障礙只是成本、易用性和所展示的可靠性。WBG元件製造商已經在解決這些問題，並且大規模生產已成為現實，預期在所有市場領域中都有積極應用。 (本文作者任職於貿澤電子)

東芝(Toshiba)日前推出一款驅動中高電流絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)和MOSFET的預驅動光耦—TLP5231，其適用於工業逆變器和光伏(PV)的功率調節系統。此預驅動光耦內置多種功能，其中包括通過監控集電極電壓實現過流檢測。產品即日起開始出貨。 新型預驅動光耦使用外部P溝道和N溝道互補的MOSFET作為緩衝器，來控制中高電流IGBT和MOSFET。 目前現有產品需要使用雙極型電晶體構成的緩衝電路來實現電流放大，這會在工作中消耗基極電流。新產品能夠使用外部互補MOSFET緩衝器，僅在緩衝器MOSFET的柵極充電或放電時消耗電流，有助於降低功耗。透過改變外部互補MOSFET緩衝器的大小，TLP5231能夠為各種IGBT和MOSFET提供所需的柵極電流。TLP5231、MOSFET緩衝器以及IGBT/MOSFET的配置可用作平台來滿足系統的功率需求，進而簡化設計。 其他功能包括在檢測到VCE(sat)過流後使用另一個外部N溝道MOSFET控制柵極軟關斷時間；另外，除了能通過監控集電極電壓檢測到VCE(sat)之外，還有UVLO檢測，將任意故障訊號輸出到一次側。以上這些現有產品不具備的新特性，能夠讓TLP5231幫助用戶更輕易設計柵極驅動電路。 該產品主要特性包含內建有源時序控制的雙輸出，適用於驅動P溝道和N溝道互補MOSFET緩衝器。當檢測到過流時，透過使用另一個外部N溝道MOSFET實現可配置柵極軟關斷時間；當監控集電極電壓檢測到過流時或UVLO時，故障訊號會輸出到一次側。

Power Integrations日前推出1SP0351 SCALE-2單通道+15/-10V隨插即用閘極驅動器，專為來自Toshiba、Westcode和ABB等製造商的全新4500V緊壓包裝IGBT(PPI)模組而開發。依據Power Integrations提供的廣泛應用型SCALE-2晶片組，全新閘極驅動器適合高可靠性應用，例如HVDC VSC、STATCOM/FACTS和中壓驅動。 Power Integrations的技術產品經理Thorsten Schmidt表示，這些驅動器為適合緊壓包裝IGBT模組的驅動解決方案。裝置耐用、可靠且易於使用。 1SP0351驅動器配備動態進階主動箝位(DAAC)、短路保護、內置DC-DC轉換器、經調節的開啟閘極驅動電壓、DC-DC過載監測以及供電電壓監測。此外還包含主動米勒箝位。SCALE-2 ASIC 晶片組使用精密的數位控制技術，與傳統解決方案相比，將元件數目減少達85%，大幅提高可靠性。 1SP0351驅動器專為易於使用而設計，其具備隨插即用功能，便於調試，且允許安裝後立即投入運作。包含的簡單雙接腳電源插頭還簡化了操作，同時保形塗層增加了產品的耐用性和可靠性。

英飛凌(Infineon)擴展旗下EiceDRIVER產品系列，推出採用英飛凌SOI(Silicon On Insulator)技術的650V半橋式閘極驅動器。該產品可提供負瞬態電壓抗擾性、單片整合實體的靴帶式二極體，以及針對MOSFET和IGBT變頻應用提供絕佳的閂鎖效應防護。這些功能可實現穩定可靠的設計，並且降低BOM成本。高輸出電流系列2ED218x專為電磁爐、空調壓縮機、交換式電源供應器(SMPS)和不斷電系統(UPS)等高頻應用所設計。低輸出電流的2ED210x系列則是專為家電、電動工具、馬達控制及驅動器、風扇和幫浦設計。 2ED218x為2.5A高電流EiceDRIVER系列，而2ED210x為0.7A低電流系列，兩款皆提供關機保護功能、獨立的邏輯和電源接地的版本。整合式靴帶式二極體結合30Ω導通電阻提供快速的逆向回復功能。間隔300ns重複脈衝的-100V負瞬態電壓(VS)抗擾性可提供穩固性與可靠的運作。此外，包括具有預防跨導邏輯的整合死區時間，以及高低側電壓供應的獨立欠壓鎖定(UVLO)，支援安全操作。閘極驅動器系列的傳播延遲大約為200ns。

Power Integrations日前宣布推出獲得汽車認證的SID1181KQ SCALE-iDriver閘極驅動器，其適用於額定電壓為750V的IGBT。繼推出1200V驅動IC後，該新零件擴大該公司獲得汽車認證之驅動IC範圍。 Power Integrations汽車閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示，採用FluxLink技術的SCALE-iDriver系列能為各種IGBT驅動器提供安全、低成本的設計，適用於包括傳動元件、車載充電器和充電站以及其他高度可靠的驅動器和變頻器在內的各種電動車輛應用。 新驅動IC輕巧節能且強大，使用高速FluxLink通訊技術，即使出現故障亦可確保系統安全，大幅提升新閘極驅動器的可靠性和絕緣能力，取代光耦合器和電容式或矽基電感耦合解決方案。SCALE-iDriver裝置還包含關鍵保護功能，如去飽和監控、一次側和二次側欠壓鎖閉(UVLO)和進階緩關機(ASSD)，可在短路關閉時保護切換開關。 此IC可大幅度減少所需外部元件數量，不需鉭和電解電容器並簡化隔離式電源供應器，且僅需一個變壓器二次側繞組。可使用簡單的雙層 PCB，進一步增加設計簡易性並簡化供應鏈管理。