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为了提高电机控制性能,将功率逆变器和高性能位置、电流检测环路用于功率反馈级是必须的,否则电机性能和效率很难提高。位置和速度编码器反馈正是工业设备提升性能的关键一环。编码器——提供准确的反馈信息众所周知,将变频电压作用域使用脉冲宽度调制的电机,可以实现对电机的开环速度控制,在逆变器处于稳态或缓慢变化的动态条件下,工况也是比较平稳的。很多相对要求不高的应用会使用这种开环的速度控制,不需要编码器,设计相对简单,成本也更低。但是开环控制需要严格的瞬态响应来让电机同步,而且开环控制的缺点也很明显,因为不存在内部的反馈,对速度的控制精度很有限,而且此后操作者对受控对象的变化便不能做进一步的控制,无法优化电流控制来提高电机效率。如果仅仅是低性能的控制,那么开环比却可以胜任为了提高设备效率,闭环反馈被引入进来。在闭环反馈控制中,存在由输入到输出的信号前向通路,也包含从输出端到输入端的信号反馈通路,两者组成一个闭合的回路。自动控制建立在闭环反馈之上。那如何提供这个闭环反馈信号,答案是编码器。现在应用在高精度位置编码信号链的编码器解决方案非常多。光学传感器、旋变器、线性可变差动变压器(LVDT)和磁传感器(AMR、GMR、TMR、霍尔)等都有相应的应用。这些器件的应用,为驱动器提供了位置信号,驱动器基于这些反馈信号保证电机优良的速度、转矩输出性能。从低到高分辨率的编码器选择一般来说,最高分辨率的编码器使用光学技术的编码器,而中高分辨率的编码器使用磁或光学传感器(磁越来越多)。中低分辨率编码器使用旋变器(旋转变压器)或霍尔传感器。现在磁性编码器的应用很常见,但是要说需要最高分辨率的应用,光电式对比电磁式无疑拥有更高分辨率而且结构更紧凑。光电编码器的精度和分辨率和码道的直接相关,增加码道分辨率和精度就越高。不过码道的增加和光电检测、通孔加工等一系列高精核心技术相关,难度很高。在中高分辨率的应用中,随着磁编码器技术的发展,磁编码的应用已经成为主流。磁编码在以往很多利用光学编码器的应用里展现出了更耐用的特性,很多厂商有专用的感应芯片和解码芯片,为编码器提供ASIC级整体解决方案。不论是AMR、GMR还是TMR都已经能提供极精准且快速响应的位置传感,最普通的霍尔也是性价比很高的选择。在中低分辨率应用里,旋转变压器是很常见的选择,虽然其分辨率上限没有那么高,但是在很多环境相对严苛的工业应用里,它倍受青睐。因为旋转变压器在极端环境条件(如高温以及冲击和振动)下非常可靠,独有的优势也让其应用非常稳定。
编码器——提供准确的反馈信息
从低到高分辨率的编码器选择
当地时间10月30日,安森美半导体公布2023年第三季度业绩。财报数据显示,该季度安森美实现营收21.8亿美元,同比下降0.54%,但高于分析师普遍估计的21.5亿美元;净利润为5.827亿美元,明显高于去年同期的3.119亿美元。在具体业务方面,安森美电源方案部(PSG)业务营收为12.3亿美元,同比和环比均增长了10%;先进方案部(ASG)业务营收为6.21亿美元,同比下降了15%;智能感知部(ISG)业务营收为3.28亿美元,同比下降了4%。在终端业务方面,安森美汽车业务部门第三季度营收为12亿美元,同比增长33%,创造了新的营收纪录;工业领域的营收为6.16亿美元,同比略有增长。如果看上述数据,安森美三季度的营收还不错,超过了分析师的普遍预期,并在重点业务上实现了正增长。不过,在展望未来时,安森美对该公司第四季度的营收给出了悲观预期,预期营收区间为19.50亿美元至20.50亿美元,而市场普遍预期为21.8亿美元。该公司表示,预计将裁员900人。这一消息简直是平地惊雷,要知道安森美是汽车半导体供应链排名靠前的大厂,悲观的预期和裁员让人们开始对汽车半导体未来走势表示担忧。安森美首席执行官哈桑·埃尔-库里 (Hassane El-Khoury) 更是在财报说明会上直言:“我们开始看到一些疲软的情况,欧洲Tier 1客户正在处理库存,并且由于高利率,汽车需求的风险不断增加。”安森美是汽车半导体市场的头部厂商众所周知,安森美是全球领先的汽车半导体供应厂商,尤其是功率电源和感知领域,该公司的市场占比都非常高。汽车业务也是安森美的主营业务,2022年该公司实现营收83亿美元,其中汽车与工业终端业务合计营收46.5亿美元。如果单看汽车业务,2022年安森美实现汽车业务营收为33.6亿美元,营收占比超过了40%。我们先看功率器件领域。目前汽车正在进行电动化升级,三电系统成为新的“三大件”,在汽车成本占比超过了50%。电动化对于汽车半导体是极大的利好,根据Yole的统计数据,2022年汽车半导体市场的整体规模已经达到了439亿美元。在电动化场景下,功率器件的用量大幅提升。统计数据显示,全球前五大功率半导体厂商分别是英飞凌、意法半导体、德州仪器、安森美和罗姆,市场占比分别为 30.2%、16.3%、10.3%、7.1%、5.9%。如果具体到MOSFET,市场前三分别是英飞凌、安森美和意法半导体,市场占比分别是 24.4%、12.4%、8.8%。对于在汽车上广泛应用的碳化硅(SiC)器件,安森美也是进行了大力的投资。5月16日,安森美高管表示,该公司正考虑投资20亿美元提高碳化硅芯片的产量。目标是在2027年占据碳化硅汽车芯片市场40%的份额。再看一下安森美强势的汽车传感器业务。传感器是汽车实现智能化升级的重要组件,尤其是在智驾场景和智舱场景里,包括传感器、毫米波雷达和激光雷达在内的环境感知类智能传感器应用广泛。行业研究机构Yelo的统计数据显示,2022年,全球汽车市场的半导体传感器出货量为54亿个,产生了78亿美元的收入。其中,博世、安森美、豪威集团、TE和Continentai位列前五,市场份额分别是16%、9%、6%、5%、5%。在汽车传感器领域,安森美通过收购IBM毫米波先进传感器设计中心、SensL Technologies等公司,成为一家拥有汽车领域所有感知技术的公司。通过这些数据不难看出,安森美是深知汽车行业水温的,并且公司业绩受到汽车行业很大的影响,那么安森美的悲观预期就不得不重视起来。当然,安森美的产品在工业领域应用也非常广泛,因此有分析师指出,该机构的调研和安森美的预期趋于一致,后续工业领域的需求行情也会很糟糕。在裁员方面,据统计,迄今为止安森美今年已裁员1360人。另外,哈桑·埃尔-库里指出,为了应对电动汽车需求增长放缓,此次宣布的裁员计划是该公司更大战略转变的一部分,帮助在内部生产利润更高的芯片。汽车半导体势头逆转?时间回溯到2022年,民生证券的研报显示,受宏观经济疲软,需求不振,库存积压等因素影响。虽然2022年1-7月全球半导体销售额仍维持同比增长趋势,但已增速逐月放缓。2022年9月销售额出现拐头,同比下降3.04%。当时,产业界的希望都寄托于汽车半导体。目前,新能源汽车已经成为汽车产业发展的主流,并且渗透率快速提升。其中,中国市场增速最为明显。根据乘联会的统计数据,2022年国内狭义乘用车累计零售2054.3万辆,其中新能源车累计零售567.4万辆,较前一年同比增长89.83%,新能源车国内市场渗透率达到27.62%。新能源汽车快速增长带来汽车芯片需求大涨。产业链数据显示,传统高性能燃油车单车大概用到500-600颗芯片,一辆高性能的新能源汽车可能需要使用约2000颗芯片,其中MCU、功率半导体、传感器和各类模拟器件的用量增加是最明显的。统计数据显示,2022年,我国汽车半导体市场规模为158亿美元,同比增长10.49%。进入2023年,实际上新能源汽车依然在快速发展,乘联会的数据预测称,2023年中国新能源乘用车销量为850万辆,渗透率可达36%。从这个维度来看,汽车产业对于芯片的需求量还是很大的,至少并不比之前少。那么,安森美为什么会如此悲观呢?答案是汽车芯片市场的供需关系发生了改变。过去两年汽车芯片短缺让车市受到了很大打击,很多车厂都有过高价买芯片的经历。并且,汽车芯片市场的光明前景是显而易见的,就像统计数据所讲,到2030年全球汽车芯片市场就会翻一番,总体规模超过6000亿元。市场容量大、需求旺盛,导致接下来一段时间,几乎所有的芯片公司都在谋划自己的产品过车规,同时全球排名靠前的头部厂商也将产能向汽车业务倾斜。因此,汽车芯片产能过剩其实是注定的结果。从上面的数据我们也不难看出,除非有缺货高溢价的带动,实际上在常规时间内,新能源汽车对芯片销售额的带动并不如车辆本身销售同比增长那么迅猛。就以中国市场来说,10.49%的同比增长不可谓不高,但是分食的人太多,大家得到的都有限。此时,我们就能够很深刻地理解哈桑·埃尔-库里的话,以及安森美裁员的举动,要给产品创造更大的利润空间。所以,并不是汽车芯片市场不行了,而是供需现在调转了,由于汽车芯片产能过剩,逐渐进入到买方市场了。
磁性材料中,拓扑自旋结构具有比传统材料稳定耐久的优势,在信息处理储存领域应用潜力巨大,但因其尺度小、依赖低温和磁场环境等特点,一直在应用方面难以突破。近日,厦门大学 半导体研究团队康俊勇教授、张荣教授、吴雅苹教授通过物理学、材料学、电子学的交叉研究在该领域取得重大进展,提出利用强磁场调控原子轨道的新思想,成功将拓扑自旋结构用于半导体器件,研制出拓扑自旋固态光源芯片,实现了拓扑自旋结构从理论到器件的关键突破。该新型拓扑自旋固态光源芯片有望满足未来量子科技等发展需求。相关成果7月13日发表在《自然·电子学》期刊上。(科技日报记者 符晓波,厦门大学供图)
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