工業(yè)開關(guān)電源市場分析-工業(yè)開關(guān)電源MOS管廠家及應(yīng)用方案詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-09-10
中國工業(yè)用開關(guān)電源市場發(fā)展分析根據(jù)北京捷孚聯(lián)合咨詢有限公司（JFUnited）最新調(diào)查報告《2007中國工業(yè)用開關(guān)電源市場調(diào)查報告》數(shù)據(jù)顯示，2006年中國工業(yè)用開關(guān)電源市場規(guī)模在6.7億元；從產(chǎn)品安裝方式分類來看，2006年工業(yè)領(lǐng)域平板式開關(guān)電源和導(dǎo)軌式開關(guān)電源產(chǎn)品分別占市場總規(guī)模的66%和34%；從應(yīng)用領(lǐng)域分類來看，機械、電力和鐵路三大領(lǐng)域占工業(yè)領(lǐng)域開關(guān)電源市場的90%，其中機械和電力兩大領(lǐng)域就占市場總體規(guī)模的80%。 根據(jù)JFUnited調(diào)查報告資料顯示，在2001-2006年間，占國內(nèi)工業(yè)開關(guān)電源主要份額的廠商，比如朝陽、銘緯、衡孚等主要廠商的增長率平均在15%-30%之間，但從整個行業(yè)來看，工業(yè)開關(guān)電源并沒有達到預(yù)期的增長率，而工業(yè)開關(guān)電源的市場增長率要遠低于在通信及家電、計算機領(lǐng)域，2001-2006年工業(yè)電源增長率僅保持在10%-15%的增長區(qū)間。另外，JFUnited調(diào)查報告指出，國內(nèi)工業(yè)開關(guān)電源在2005-2006年市場整體增長速度均略超過30%，并對2007年工業(yè)開關(guān)電源市場的發(fā)展持樂觀態(tài)度。隨著導(dǎo)軌式開關(guān)電源及模塊開關(guān)電源的快速發(fā)展，以及新技術(shù)的出現(xiàn)，國內(nèi)的開關(guān)電源市場格局將會有所變化，而國內(nèi)外重要開關(guān)電源廠商將預(yù)期增長率鎖定在20%上下，JFUnited認為工業(yè)用平板式開關(guān)電源未來發(fā)展速度將保持在20%左右，中國工業(yè)開關(guān)電源的增長速度及發(fā)展水平遠低于日本、美國、歐洲等地。 目前國外公司如ABB、歐姆龍、西門子、菲尼克斯等主要以生產(chǎn)銷售導(dǎo)軌式產(chǎn)品為主，而國內(nèi)代表性公司如朝陽、銘緯（臺資）、衡孚、德創(chuàng)、三基等主要以生產(chǎn)平板式開關(guān)電源為主。另外，國外公司中除電盛蘭達等少數(shù)開關(guān)電源企業(yè)在大陸有設(shè)立工廠以外，大部分以進口形式在大陸銷售，在營銷模式上，工業(yè)開關(guān)電源企業(yè)呈現(xiàn)出代理和直銷兩種并存的模式。 調(diào)查報告資料顯示，工業(yè)用開關(guān)電源主力企業(yè)市場規(guī)模表現(xiàn)中，前四名只有朝陽一家國內(nèi)企業(yè)，而其它三家均為外資（含臺資）企業(yè)，并且朝陽比其它三個企業(yè)的優(yōu)勢并不明顯，而國內(nèi)其它企業(yè)大多保持在中等水平。行業(yè)銷售規(guī)模前四位朝陽、電盛蘭達、銘緯、歐姆龍四家企業(yè)市場份額目前占到整個工業(yè)用開關(guān)電源市場份額的48%，這說明工業(yè)用開關(guān)電源行業(yè)市場集中度已經(jīng)比較高，市場發(fā)展正超著成熟水平發(fā)展。
前十名企業(yè)中，國內(nèi)企業(yè)的總量與外資企業(yè)的總量比為1：1.5。從中可以看出，目前在國內(nèi)工業(yè)開關(guān)電源市場國內(nèi)企業(yè)很大程度上落后于外資企業(yè)。 在各廠商工業(yè)開關(guān)電源價格表現(xiàn)上，JFUnited報告指出，類似規(guī)格（同一功率和輸出電壓）不同廠商的價格水平差異很大，差距在幾倍到十幾倍不等；另外，同一公司由于認證數(shù)量和類型的差異，同一規(guī)格的產(chǎn)品價格也會有很大的差異，或者同一公司由于產(chǎn)品應(yīng)用場合的定位不同導(dǎo)致價格的巨大差異，如朝陽軍品級開關(guān)電源分別是工業(yè)級和商業(yè)級開關(guān)電源1.5-3倍的價差。 JFUnited在調(diào)查報告中對未來國內(nèi)工業(yè)用開關(guān)電源行業(yè)關(guān)鍵競爭因素分析中指出，國內(nèi)從事工業(yè)開關(guān)電源的企業(yè)，從整體上來講與國外企業(yè)還存在差距，產(chǎn)品的規(guī)模以及產(chǎn)品種類不可能兼顧所有工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)勢集中在自身擅長的領(lǐng)域，比如無錫宇峰重點在電力行業(yè)，隨著國際企業(yè)從高端市場向中端市場的延伸，加大對國內(nèi)企業(yè)的沖擊力，使得國內(nèi)企業(yè)保住現(xiàn)有的陣地成為首要任務(wù)，因此，能否進一步市場細分，加大優(yōu)勢領(lǐng)域的資源組合，成為國內(nèi)企業(yè)今后發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。 隨著電盛蘭達、歐姆龍等國際工業(yè)電源巨頭實施中國本地化發(fā)展策略，并不斷兼并和重組國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)，使工業(yè)開關(guān)電源產(chǎn)品在華推廣及成本戰(zhàn)略凸顯優(yōu)勢，未來不僅對于國內(nèi)企業(yè)有相當影響，也會進一步強占其它中高端領(lǐng)域外資品牌的市場份額。 從工業(yè)開關(guān)電源細分市場來看，電力、鐵路、軍工、航空等領(lǐng)域，目前主要由少部分供應(yīng)商壟斷，短期內(nèi)這樣市場特點不會很大變化，而對于工控領(lǐng)域來講，涉及產(chǎn)品及環(huán)境比較復(fù)雜，各供應(yīng)商都有不同比例的涉及，未來隨著各家供應(yīng)商的技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展，市場份額可能會出現(xiàn)較大變化， 行業(yè)發(fā)展水平的好壞對于行業(yè)企業(yè)發(fā)展的尤為重要，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，另外開關(guān)電源又表現(xiàn)出替代線形及相控電源趨勢，未來發(fā)展空間是否將會達到或者超過預(yù)期水平，將決定工業(yè)開關(guān)電源各企業(yè)的發(fā)展速度及未來走勢。 目前國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)和技術(shù)上還不能和國外企業(yè)想媲美，但由于中國廉價的勞動力和原材料，中國的產(chǎn)品價格上占有十分大的優(yōu)勢。這使得國內(nèi)小的民營企業(yè)總體規(guī)模還占有20%的規(guī)模，短期內(nèi)價格及成本因素仍然為國內(nèi)競爭的最主要因素之一。
國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)相比輸在工藝，國內(nèi)開關(guān)電源企業(yè)在規(guī)模和產(chǎn)值方面與國外企業(yè)相比水平相當。也掌握了一些獨立的技術(shù)工藝，但主要是在小型器件產(chǎn)品上。但在大型器件芯片技術(shù)上還依靠國外技術(shù)，雖然在珠三角地區(qū)盡管有大批的臺資和日資企業(yè)建立了生產(chǎn)線，但主要芯片技術(shù)還是外資控制。在未來的競爭中，獨立工藝技術(shù)是開關(guān)電源企業(yè)掌握和擴展市場的關(guān)鍵。 JFUnited在調(diào)查報告中最后指出，國內(nèi)開關(guān)電源企業(yè)在也業(yè)務(wù)開拓能力上與外資企業(yè)存在差距。大多數(shù)外部渠道資源匱乏，只能等待客戶上門，而歐美企業(yè)的需求信息掌握比較全面及時，渠道網(wǎng)絡(luò)豐富，使市場開拓能力遠強于國內(nèi)，另外，國內(nèi)企業(yè)與外資企業(yè)相比，普遍存在服務(wù)意識不強，不注重客源關(guān)系維系的現(xiàn)象。甚至有些小企業(yè)過于追求經(jīng)濟效益，而忽略了企業(yè)的相關(guān)服務(wù)，例如產(chǎn)品質(zhì)量保證和售后服務(wù)、企業(yè)應(yīng)該承擔(dān)的社會責(zé)任等。這樣的結(jié)果最終必然是企業(yè)客戶投訴越來越多，最后被市場淘汰。在未來的競爭中，市場開拓能力及服務(wù)意識的提高也是企業(yè)發(fā)展的重要因素。
本文主要是介紹工業(yè)開關(guān)電源MOS管供應(yīng)商及參數(shù)、選型詳解，深圳市可易亞半導(dǎo)體科技有限公司.是一家專業(yè)從事中、大、功率場效應(yīng)管(MOSFET)、快速恢復(fù)二極管、三端穩(wěn)壓管開發(fā)設(shè)計，集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。
2005年在深圳福田，KIA半導(dǎo)體開啟了前行之路，注冊資金1000萬，辦公區(qū)域達1200平方，已經(jīng)擁有了獨立的研發(fā)中心，研發(fā)人員以來自韓國(臺灣)超一流團隊，可以快速根據(jù)客戶應(yīng)用領(lǐng)域的個性來設(shè)計方案，同時引進多臺國外先進設(shè)備，業(yè)務(wù)含括功率器件的直流參數(shù)檢測、雪崩能量檢測、可靠性實驗、系統(tǒng)分析、失效分析等領(lǐng)域。強大的研發(fā)平臺，使得KIA在工藝制造、產(chǎn)品設(shè)計方面擁有知識產(chǎn)權(quán)35項，并掌握多項場效應(yīng)管核心制造技術(shù)。自主研發(fā)已經(jīng)成為了企業(yè)的核心競爭力。
強大的研發(fā)平臺，使得KIA在工藝制造、產(chǎn)品設(shè)計方面擁有知識產(chǎn)權(quán)35項，并掌握多項場效應(yīng)管核心制造技術(shù)。自主研發(fā)已經(jīng)成為了企業(yè)的核心競爭力。
KIA半導(dǎo)體的產(chǎn)品涵蓋工業(yè)、新能源、交通運輸、綠色照明四大領(lǐng)域，不僅包括光伏逆變及無人機、充電樁、這類新興能源，也涉及汽車配件、LED照明等家庭用品。KIA專注于產(chǎn)品的精細化與革新，力求為客戶提供最具行業(yè)領(lǐng)先、品質(zhì)上乘的科技產(chǎn)品。
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MOS管最常見的應(yīng)用可能是電源中的開關(guān)元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設(shè)備等應(yīng)用一般都配置有多個并行電源，以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源平均分擔(dān)負載，確保系統(tǒng)即使在一個電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。不過，這種架構(gòu)還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起，并保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端，有一個功率MOS管可以讓眾電源分擔(dān)負載，同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET，因為它們本質(zhì)上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。
一、開關(guān)電源上的MOS管選擇方法
圖1：用于針對N+1冗余拓撲的并行電源控制的MOS管
在ORing FET應(yīng)用中，MOS管的作用是開關(guān)器件，但是由于服務(wù)器類應(yīng)用中電源不間斷工作，這個開關(guān)實際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(guān)功能只發(fā)揮在啟動和關(guān)斷，以及電源出現(xiàn)故障之時 。
相比從事以開關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計人員，ORing FET應(yīng)用設(shè)計人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務(wù)器為例，在正常工作期間，MOS管只相當于一個導(dǎo)體。因此，ORing FET應(yīng)用設(shè)計人員最關(guān)心的是最小傳導(dǎo)損耗。
二、低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小
一般而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗;對ORing FET應(yīng)用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅(qū)動，RDS(ON) 是一個相對靜態(tài)參數(shù)。
若設(shè)計人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計中，每個電源常常需要多個ORing MOS管并行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設(shè)計人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。
需謹記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個并聯(lián)的2Ω 電阻相當于一個1Ω的電阻 。因此，一般來說，一個低RDS(ON) 值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。
除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數(shù)也對電源設(shè)計人員非常重要。許多情況下，設(shè)計人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)(SOA)曲線，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應(yīng)用中，首要問題是：在"完全導(dǎo)通狀態(tài)"下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。
若設(shè)計是實現(xiàn)熱插拔功能，SOA曲線也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下，MOS管需要部分導(dǎo)通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。
注意剛剛提到的額定電流，這也是值得考慮的熱參數(shù)，因為始終導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結(jié)溫也會導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細言之，在實際測量中其代表從器件結(jié)(對于一個垂直MOS管，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數(shù)據(jù)手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝系統(tǒng)的熱效應(yīng)。RθJA 定義了從裸片表面到周圍環(huán)境的熱阻抗，而且一般通過一個腳注來標明與PCB設(shè)計的關(guān)系，包括鍍銅的層數(shù)和厚度。
三、開關(guān)電源中的MOS管
現(xiàn)在讓我們考慮開關(guān)電源應(yīng)用，以及這種應(yīng)用如何需要從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊。從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時，有數(shù)十種拓撲可用于開關(guān)電源，這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能(圖2)，這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。目前，設(shè)計人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。
四、開關(guān)電源上的MOS管選擇方法
圖2：用于開關(guān)電源應(yīng)用的MOS管對。(DC-DC控制器)
顯然，電源設(shè)計相當復(fù)雜，而且也沒有一個簡單的公式可用于MOS管的評估。但我們不妨考慮一些關(guān)鍵的參數(shù)，以及這些參數(shù)為什么至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，許多電源設(shè)計人員都采用一個綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG ×導(dǎo)通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或?qū)χM行等級劃分。
柵極電荷和導(dǎo)通阻抗之所以重要，是因為二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種形式--傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。
柵極電荷是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 在半導(dǎo)體設(shè)計和制造工藝中相互關(guān)聯(lián)，一般來說，器件的柵極電荷值較低，其導(dǎo)通阻抗參數(shù)就稍高。開關(guān)電源中第二重要的MOS管參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。
某些特殊的拓撲也會改變不同MOS管參數(shù)的相關(guān)品質(zhì)，例如，可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行MOS管開關(guān)，從而可把開關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開關(guān)或零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開關(guān)損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓撲中顯得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對這兩類轉(zhuǎn)換器都大有好處。諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個MOS管關(guān)斷的死區(qū)時間內(nèi)，諧振電路必須讓COSS完全放電。
低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器)，不過原因不同。因為每個硬開關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會丟失，反之在諧振轉(zhuǎn)換器中能量反復(fù)循環(huán)。因此，低輸出電容對于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開關(guān)尤其重要。
五、mos管初選基本步驟
1 、電壓應(yīng)力在電源電路應(yīng)用中，往往首先考慮漏源電壓VDS的選擇。在此上的基本原則為MOSFET實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。
即：
VDS_peak ≤ 90% * V(BR)DSS
注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。
2 、漏極電流其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為MOSFET實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的90%；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 。
即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：一般地，ID_max及ID_pulse具有負溫度系數(shù)，故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之ID_max及ID_pulse值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術(shù)，器件其它參數(shù)（如導(dǎo)通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗，在實際應(yīng)用中規(guī)格書目中之ID會比實際最大工作電流大數(shù)倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
3 、驅(qū)動要求MOSFEF的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量（Qg）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅(qū)動電路的設(shè)計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）
4 、損耗及散熱小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。
5 、損耗功率初算MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：
即：
PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover
詳細計算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復(fù)損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。
6 、耗散功率約束器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max 應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：
即：
PD,max ≤ （ Tj,max - Tamb ） / Rθj-a
其中Rθj-a是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻包括Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。
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