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作者: 安森美电源方案事业群工业方案部高级总监Sravan Vanaparthy

如今，碳化硅 (SiC) 器件在电动汽车 (EV) 和太阳能光伏 (PV) 应用中带来的性能优势已经得到了广泛认可。不过，SiC 的材料优势还可能用在其他应用中，其中包括电路保护领域。本文将回顾该领域的发展，同时比较机械保护和使用不同半导体器件实现的固态断路器 (SSCB) 的优缺点。最后，本文还将讨论为什么 SiC 固态断路器日益受到人们青睐。

保护电力基础设施和设备

输配电系统以及灵敏设备都需要妥善的保护，以防因为长时间过载和瞬态短路情况而受到损坏。随着电力系统和电动汽车使用的电压越来越高，可能的最大故障电流也比以往任何时候都更高。为了针对这些高电流故障提供保护，我们需要超快速交流和直流断路器。过去，机械断路器一直是此类应用的主要选择，然而随着工作要求越来越严苛，固态断路器越来越受到欢迎。相较于机械断路器，固态断路器具有许多优势：

·稳健性和可靠性：机械断路器内含活动部件，因此相对易于受损。这意味着它们容易损坏或因为运动而意外自动断开，并且在使用期间，每次复位都会出现磨损。相比之下，固态断路器不含活动部件，因此更加稳健可靠，也不太容易出现意外损坏，因此能够反复进行数千次断开/闭合操作。

·温度灵活性：机械断路器的工作温度取决于其制造材料，因此在工作温度方面存在一定的限制。相比之下，固态断路器的工作温度更高并且可以调节，因此它能够更加灵活地适应不同的工作环境。

·远程配置：机械断路器在跳闸后需要人工手动复位，这可能非常耗时且成本高昂，特别是在多个安装点进行大规模部署的情况下，另外也可能存在安全隐患。而固态断路器则可以通过有线或无线连接进行远程复位。

·开关速度更快且不会产生电弧：机械断路器在开关时可能会产生较大的电弧和电压波动，足以损坏负载设备。固态断路器采用软启动方法，可以保护电路不受这些感应电压尖峰和电容浪涌电流的影响，而且开关速度要快得多，在发生故障时只需几毫秒即可切断电路。

·灵活的电流额定值：固态断路器具有可编程的电流额定值，而机械断路器则具有固定的电流额定值。

·尺寸更小、重量更轻：相较于机械断路器，固态断路器重量更轻、体积更小。

现有固态断路器的局限性

虽然固态断路器相较于机械断路器具有多项优势，但它们也存在一些缺点，具体包括电压/电流额定值受限制、导通损耗更高且价格更贵。通常，对于交流应用，固态断路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而对于直流系统，则基于标准平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 负责实现开关功能，而光隔离驱动器则用作控制元件。然而，在具有高输出电流的情况下，基于 MOSFET 的高电流固态断路器需要使用散热片，这就意味着它们无法达到与机械断路器相同的功率密度水平。

同样地，使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 实现的固态断路器也需要散热片，因为当电流超过几十安培时，饱和电压会导致过多的功率损耗。举例来说，当电流为 500 安培时，IGBT 上的 2V 压降会产生高达 1000W 的功率损耗。对于同等功率水平，MOSFET 需要具有约 4 mΩ 的导通电阻。随着电动汽车中器件的电压额定值朝着 800V（甚至更高）发展，目前没有单一器件能够实现这一电阻水平。虽然理论上可以通过并联多个器件来实现该数字，但这样的做法会显著增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要处理双向电流的情况下。

使用 SiC 功率模块打造下一代固态断路器

与硅芯片相比，SiC 芯片在相同额定电压和导通电阻条件下，尺寸可以缩小多达十倍。此外，与硅器件相比，SiC 器件的开关速度至少快 100 倍，并且它可以在高达两倍以上的峰值温度下工作。同时，SiC 具有出色的导热性能，因此在高电流水平下具有更好的稳健性。安森美利用 SiC 的这些特性开发了一系列 EliteSiC 功率模块，其 1200V 器件的导通电阻低至 1.7mΩ。这些模块在单个封装中集成了两到六个 SiC MOSFET。

烧结芯片技术（将两个独立芯片烧结在一个封装内）甚至在高功率水平下也能提供可靠的产品性能。由于具备快速开关行为和高热导率，因此该类器件可以在故障发生时快速而安全地“跳闸”（断开电路），阻止电流流动，直到恢复正常工作条件为止。这样的模块展示了越来越有可能将多个 SiC MOSFET 器件集成到单个封装中，以实现低导通电阻和小尺寸，从而满足实际断路器应用的需求。此外，安森美还提供承受电压范围为 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模块，因此这些器件也可用于打造适合单相和三相家庭、商业和工业应用的固态断路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供应链，能够提供近乎零缺陷的产品，这些产品经过全面的可靠性测试，能够满足固态断路器制造商的需求。

图 1：安森美完整的端到端碳化硅 (SiC) 供应链

下图展示了固态断路器的模块化实现方式，其中以并联配置连接多个 1200V SiC 芯片和多个开关来实现了极低的 rdson 和优化的散热效果。下方这些完全集成的模块具有优化的引脚位置和布局，有助于减少寄生效应，提高开关性能和缩短故障响应时间。安森美提供丰富多样的 SiC 模块产品组合，模块额定电压为 650V、1200V 和 1700V，并且其中一些模块带有底板，而另一些则无底板，以便满足不同的应用需求和效率需求。

图 2：适用于固态断路器的 SiC B2B 模块- 480VAC -200A

图 3：适用于固态断路器应用的安森美模块

SiC 技术和固态断路器将共同发展

机械断路器具有低功率损耗和更高的功率密度，目前价格也低于固态断路器。另外，机械断路器容易因为反复使用而发生磨损，并且复位或更换会产生昂贵的人工维护成本。随着电动汽车的日益普及，市场对断路器和 SiC 器件的需求将持续增长，因此这种宽禁带技术的成本竞争力会日益增强，并且其对固态断路器方案的吸引力也会不断增加。随着 SiC 工艺技术的不断进步和独立 SiC MOSFET 的电阻进一步降低，固态断路器的功率损耗最终会达到与机械断路器相媲美的水平，那时功率损耗将不再是个问题。基于 SiC 器件的固态断路器具备开关速度快、无电弧以及零维护等优势，能够带来显著的成本节约，因此必将成为市场广泛采用的主流选择。

芯片制造商与EDA解决方案和广泛的IP组合紧密合作，能够提升产品性能并加快上市时间

摘要：

• 新思科技数字和模拟EDA流程经过认证和优化，针对Intel 18A工艺实现功耗、性能和面积目标；

• 新思科技广泛的高质量 IP组合降低集成风险并加快产品上市时间，为采用Intel 18A 工艺的开发者提供了竞争优势；

• 新思科技 3DIC Compiler提供了覆盖架构探索到签收的统一平台，可实现采用Intel 18A和 EMIB技术的多裸晶芯片系统设计。

新思科技（Synopsys, Inc.，纳斯达克股票代码：SNPS）近日宣布，其人工智能驱动的数字和模拟设计流程已通过英特尔代工（Intel Foundry）的Intel 18A工艺认证。此外，通过集成高质量的新思科技基础IP和针对英特尔代工工艺优化的接口IP，双方客户可以放心地使用先进的英特尔代工技术设计并实现差异化芯片。凭借其经过认证的EDA流程、多裸晶芯片系统解决方案以及针对Intel 18A工艺开发的全方位IP组合，新思科技能够更好地帮助开发者加速先进的高性能设计。

新思科技EDA事业部总经理 Shankar Krishnamoorthy表示：“万物智能（Pervasive Intelligence）时代正在推动半导体行业芯片的大幅增长，因此需要强大的生态系统协作助力合作伙伴取得成功。由人工智能驱动的认证设计流程与针对Intel 18A工艺开发的广泛新思科技 IP组合强强结合，是我们与英特尔长期合作的一个重要里程碑，让我们能够在不断微缩的工艺乃至埃米尺度上，从而帮助双方的共同客户实现创新产品。”

英特尔代工产品与设计生态系统副总裁兼总经理Rahul Goyal表示：“我们与新思科技的长期战略合作为开发者提供了业界领先的认证EDA流程和IP，并针对Intel 18A技术提供了行业领先的性能、功耗和面积。我们合作中的这一里程碑使双方客户都能利用EDA流程提高设计生产率，实现高资源利用率，并加速在英特尔代工工艺上的先进设计开发。”

利用后端布线实现功耗和性能提升

新思科技正在与英特尔代工密切合作，增强EDA数字和模拟设计流程，以帮助加快设计结果质量和实现结果的时间，同时在Intel 18A工艺上优化新思科技IP和EDA流程的功耗和面积，以充分利用英特尔的PowerVia后端布线和RibbonFET晶体管。Intel 18A工艺技术采用新思科技设计技术协同优化工具进行优化，以提供更高的功耗、性能和面积。此外，适用于Intel 18A 的新思科技模拟快速入门套件（QSK）和新思科技定制编译器工艺设计套件（PDK）为更高质量的设计和快速周转时间提供了经过验证的设计范式。

为了实现Intel 18A工艺的优势，并将差异化产品推向市场，英特尔代工的合作伙伴可以集成针对英特尔先进工艺技术构建的全方位新思科技IP组合。新思科技将提供一系列业界领先的接口和基础IP，以加速SoC的设计流程和上市时间。

新思科技和英特尔代工还通过新思科技3DIC Compiler平台和英特尔先进的代工工艺推动多裸晶芯片系统向前发展。该平台可满足英特尔代工芯片开发者复杂的多芯片系统需求，并为UCIe接口提供自动布线，同时实现英特尔EMIB封装技术的无缝协同设计。新思科技多裸晶芯片系统解决方案可实现早期架构探索、快速软件开发和系统验证、高效的芯片和封装协同设计、稳健安全的芯片到芯片连接，以及更高的制造和可靠性。

上市时间和资源

新思科技数字设计系列和新思科技定制设计系列工具现可用于先进的英特尔代工工艺。此外，针对Intel 18A的新思科技IP组合也正在开发中。

• 点击了解新思科技数字设计系列产品的更多信息：https://www.synopsys.com/implementation-and-signoff/fusion-design-platform.html；

• 点击了解新思科技定制设计系列产品的更多信息： https://www.synopsys.com/implementation-and-signoff/custom-design-platform.html；

• 点击了解新思科技 IP 产品组合的更多信息： https://www.synopsys.com/designware-ip.html；

• 点击了解新思科技多裸晶芯片系统解决方案的更多信息： https://www.synopsys.com/multi-die-system.html。

关于新思科技

新思科技（Synopsys, Inc.，纳斯达克股票代码：SNPS）一直致力于加速万物智能时代的到来，为全球创新提供值得信赖的、从芯片到系统的全面设计解决方案，涵盖电子设计自动化（EDA）、半导体 IP 以及系统和芯片验证。长期以来，我们与半导体公司和各行业的系统级客户紧密合作，助力其提升研发力和效能，为创新提供源动力，让明天更有新思。如需了解更多信息，请访问 www.synopsys.com/zh-cn。

先楫新一代的仪表显示产品具有高画质、低功耗等特点

芯原股份（芯原，股票代码：688521.SH）今日宣布先楫半导体（简称“先楫”）的HPM6800系列新一代数字仪表显示及人机界面系统应用平台采用了芯原的高性能2.5D图形处理器（GPU）IP。

HPM6800系列产品基于RISC-V CPU内核，具备高算力、低功耗、高集成度和出色的多媒体功能，适用于汽车仪表、人机交互界面（HMI），以及电子后视镜（CMS）等需要复杂图形处理、高分辨率显示和高性能多媒体用户界面的应用。

芯原支持OpenVG的2.5D GPU IP能够为MCU/MPU设备提供高能效的图形处理和优质的图像输出，同时显著降低CPU负载。凭借成熟的可扩展性，该GPU已广泛应用于领先的汽车、工业和可穿戴产品中。此外，芯原还与领先的GUI软件服务提供商展开合作，以丰富面向GPU关键应用的生态系统，有效加快客户产品的上市进程。

“HPM6800系列是先楫在已有的高性能MCU系列产品中的又一个创新与突破。”先楫CEO曾劲涛表示，“通过集成芯原先进的2.5D GPU IP，HPM6800不仅秉承了我们现有MCU产品一贯的强大算力、精准控制、卓越通讯等特点，还融合了高效的图形处理、高分辨率显示以及其他多媒体功能。我们期待看到更多搭载HPM6800高性能MCU的工业及汽车系统解决方案的推出。”

“此次合作将芯原功能丰富且低功耗的2.5D GPU IP与先楫基于RISC-V的高性能MCU相结合，旨在共同推出领先的优秀产品，以应对显示领域不断增长的市场机遇。”芯原执行副总裁、IP事业部总经理戴伟进表示，“在过去十多年里，芯原的2.5D GPU IP已经广泛应用于许多领先的汽车和工业产品中。我们非常期待能将这项成熟的图形处理技术引入RISC-V生态系统，满足更广泛的客户需求。”

关于先楫半导体

先楫半导体（HPMicro）是一家致力于高性能嵌入式解决方案的半导体公司，总部位于上海，产品覆盖微控制器、微处理器和周边芯片，以及配套的开发工具和生态系统。公司成立于2020年6月，总部坐落于上海市张江高科技园区，并在天津、苏州、深圳和杭州均设立分公司。公司已完成ISO 9001质量管理认证和ISO 26262/IEC 61508功能安全管理体系双认证，全力服务中国乃至全球的工业、汽车和能源市场。更多信息，请访问 https://hpmicro.com/

关于芯原

芯原微电子（上海）股份有限公司（芯原股份，688521.SH）是一家依托自主半导体IP，为客户提供平台化、全方位、一站式芯片定制服务和半导体IP授权服务的企业。在芯原独有的芯片设计平台即服务（Silicon Platform as a Service, SiPaaS）经营模式下，通过基于公司自主半导体IP搭建的技术平台，芯原可在短时间内打造出从定义到测试封装完成的半导体产品，为包含芯片设计公司、半导体垂直整合制造商（IDM）、系统厂商、大型互联网公司和云服务提供商在内的各种客户提供高效经济的半导体产品替代解决方案。我们的业务范围覆盖消费电子、汽车电子、计算机及周边、工业、数据处理、物联网等行业应用领域。

芯原拥有多种芯片定制解决方案，包括高清视频、高清音频及语音、车载娱乐系统处理器、视频监控、物联网连接、智慧可穿戴、高端应用处理器、视频转码加速、智能像素处理等；此外，芯原还拥有6类自主可控的处理器IP，分别为图形处理器IP、神经网络处理器IP、视频处理器IP、数字信号处理器IP、图像信号处理器IP和显示处理器IP，以及1,500多个数模混合IP和射频IP。

芯原成立于2001年，总部位于中国上海，在中国和美国设有7个设计研发中心，全球共有11个销售和客户支持办事处，目前员工已超过1,800人。

了解更多信息，请访问：www.verisilicon.com

随着全球新车安全评鉴协会的安全等级和法规对主动安全功能的要求日益严格，安全性已成为当今车辆的一项不可或缺的特性。全球汽车制造商不断增强其车辆内的高级驾驶辅助系统 (ADAS) 功能（包括自动紧急制动 (AEB)、自适应巡航控制 (ACC) 和高级车道居中），从而满足这些安全要求并致力于实现更高水平的自动驾驶。为了支持这些功能并满足安全法规，汽车周围的雷达传感器的数量正在增加。

不断发展演进的汽车架构

汽车系统设计人员解决 ADAS 功能实现问题的一个方法是重新考虑电气和电子系统架构的结构和集成。如今的典型架构是边缘架构，它由高度智能的雷达传感器组成，通过控制器局域网或 100Mb 以太网接口将处理后的数据流式传输到 ADAS 电子控制单元 (ECU)。这些传感器专为高性能而设计，包含一个处理器以及一个用于执行距离、多普勒和角度快速傅里叶变换 (FFT) 的专用加速器，以及用于物体检测、分类和跟踪的后续高级算法。然后，将来自每个边缘雷达传感器的最终物体数据发送到 ADAS ECU。图 1 展示了边缘架构。

图1：边缘架构中的雷达传感器连接到ADAS ECU

边缘架构正在不断发展演进并让位于卫星架构，其中散布在汽车周围的传感器感测头通过高速 1Gb 以太网接口将预处理的距离 FFT 数据流式传输到功能强大的中央 ECU。很大一部分数据处理工作将转移到中央 ECU 上（图 2）。与边缘架构（由单个雷达传感器独立执行所有数据处理）不同，卫星架构可在中央处理器使用经过极低限度处理的数据来实现集中式数据处理。

图 2：卫星架构中连接到中央ECU 的雷达传感器

卫星架构的优点

集中处理能够实现有效的传感器融合算法，从而做出更准确的决策。如同人脑是根据双眼所看到的东西来做出决策，而不是根据每只眼睛看到的东西独立做出决策。原始设备制造商 (OEM) 可以部署用于提高角分辨率（分布式孔径雷达）和最大速度的算法，甚至可以部署机器学习算法进行对象分类。传感器输入与这些算法的融合提高了检测性能，并产生相对精确的感知图。对于汽车制造商而言，这意味着自主水平得到提升。对于驾驶员和乘客而言，这意味着汽车更安全。

此外，使用卫星雷达传感器可实现系统可扩展性和模块化。如果能够将传感器放置在汽车周围更方便的位置，则可实现许多 ADAS 应用。只需更改传感器的数量或配置就可以调整覆盖范围，从而将单个平台从成本敏感型低端车辆扩展到具有不同自主水平的差异化高端车辆。

卫星架构通过传感器融合算法和中央 ECU 更大的计算能力增加价值。通过软件简化的卫星传感器和差异化特性有助于降低系统复杂性并提供创造价值的新方法。此外，使用卫星雷达后，汽车制造商可以选择使用无线软件更新来提高系统性能并增强安全性。性能、可扩展性和简易性等多重优势共同凸显了卫星架构在汽车行业的突出地位。

专为卫星架构设计的雷达传感器

德州仪器 (TI) 专为卫星架构设计了AWR2544 片上雷达传感器。它具有一个集成的 77GHz 收发器，配有四个发送器和四个接收器，可提供更大的距离检测和更好的性能。它还包括成本优化型雷达处理加速器和吞吐量增强型 1Gbps 以太网接口，用于生成和流式传输距离 FFT 压缩数据。该器件符合汽车安全完整性等级 B，并可通过硬件安全模块提供安全的执行环境。

该器件还采用 TI 的封装上装载 (LOP) 技术而设计，该技术可通过印刷电路板 (PCB) 内的波导将信号从封装辐射元件直接传输到 3D 天线。图 3 展示了带有 3D 波导天线的 AWR2544LOP 评估模块。

图 3：AWR2544LOP EVM

在系统层面，LOP 技术通过增大信噪比提高了性能，简化了热管理，通过避免使用昂贵的射频 PCB 材料降低了成本，并通过在多个传感器设计中实现 PCB 重复使用提高了灵活性。

TI 还提供兼容的安全增强和优化的电源管理集成电路，来简化系统实现。LP87725-Q1 具有三个低噪声降压转换器、一个低压降稳压器和一个负载开关（用于为基于 AWR2544 的卫星架构供电）以及以太网物理层。

结语

为了满足不断提升的自主水平和安全要求，ADAS 应用也在不断发展。随着卫星架构等新架构的出现，这些系统中的检测和处理技术也必须不断发展才能支持新功能。借助 AWR2544 雷达传感器等器件，不仅可以让汽车系统设计人员灵活地接纳这些趋势，而且有助于打造适合所有人的更安全、更智能的车辆。

其他资源

• 了解有关 TI雷达传感器产品系列的更多信息。

• 了解关于我们的电源管理集成电路解决方案的更多信息。

关于德州仪器 (TI)

德州仪器 (TI)（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。欲了解更多信息，请访问公司网站www.ti.com.cn。