快充僅是第三代半導(dǎo)體應(yīng)用“磨刀石”,落地這一領(lǐng)域可每年省電40億度
發(fā)布時(shí)間:2021-08-06 來源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】眾所周知,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體,相較傳統(tǒng)的硅材料半導(dǎo)體,具備許多非常優(yōu)異的特性,如高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率以及抗強(qiáng)輻射能力等。前一個(gè)十年,第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)在基站射頻、功放等通信領(lǐng)域嶄露頭角;2021年,隨著“十四五”規(guī)劃的提出,中國將加速推動(dòng)以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,受益于功率轉(zhuǎn)換的極大應(yīng)用潛力,第三代半導(dǎo)體開始進(jìn)入新一輪的增長周期。
市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Omdia在《2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報(bào)告》指出,全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入,預(yù)計(jì)從2018年的5.71億美元增至2020年底的8.54億美元。預(yù)計(jì)未來十年,每年的市場收入以兩位數(shù)增長,到2029年將超過50億美元。其中,新能源汽車以及電源有望成為增量最大的兩個(gè)應(yīng)用市場。
圖1:Omdia對于SiC和GaN功率半導(dǎo)體的全球市場收入預(yù)測
功率半導(dǎo)體三足鼎立,寬禁帶“接棒”硅、探索能效極限
談及功率領(lǐng)域,SiC、GaN對比硅材料的優(yōu)勢體現(xiàn)在導(dǎo)通電阻小、寄生參數(shù)小等天然特性,且更多國內(nèi)外廠商加速入局,勢必進(jìn)一步拉低第三代半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本。因此,業(yè)界有一部分聲音認(rèn)為,SiC和GaN將會很快全面替代硅材料,而事實(shí)上真是這樣嗎?
在日前舉辦的EEVIA 第九屆年度中國電子 ICT 媒體論壇暨 2021 產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會上,英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)程文濤在闡述功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢時(shí)表示,“在功率轉(zhuǎn)換的研究中,硅基半導(dǎo)體的物理極限已經(jīng)被探知,大概在0.4 [Ω mm2]左右徘徊,這是用于表征高壓半導(dǎo)體器件導(dǎo)通損耗的計(jì)量方式——Ron x A??梢钥闯觯杌雽?dǎo)體在導(dǎo)通損耗上已經(jīng)難以繼續(xù)下探,因此業(yè)界開始尋求第三代半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗,從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。”
圖2:程文濤闡述第三代半導(dǎo)體發(fā)展演進(jìn)趨勢
圖3:英飛凌眼中的高壓半導(dǎo)體器件Ron x A路線圖
舉個(gè)例子,在服務(wù)器、通訊電源應(yīng)用中,業(yè)界成熟的方案設(shè)計(jì)在交流電轉(zhuǎn)換到48V(即交流電轉(zhuǎn)換到服務(wù)器主板供電)的過程中實(shí)現(xiàn)98%的效率已經(jīng)屬于“基本操作”。不過,硅基半導(dǎo)體方案必須使用元件較多、較復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);若想進(jìn)一步提升效率、減少元件數(shù)量、降低BOM成本,目前業(yè)界比較熱門的做法是圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),特別是基于第三代半導(dǎo)體的圖騰柱PFC,其使用元件較少、設(shè)計(jì)簡單,且效率最高。
“從這款用于服務(wù)器、通訊電源的3kW SMPS方案可以看出,基于第三代半導(dǎo)體的CCM圖騰柱是一種簡單的拓?fù)浞桨福乙子趯?shí)現(xiàn)必須的99% PFC效率,進(jìn)而使總體效率不低于98%。”程文濤補(bǔ)充道,“顯然,第三代半導(dǎo)體是在有限的提升空間上,再推動(dòng)系統(tǒng)效率往前跨一步的關(guān)鍵因素。與此同時(shí),由于第三代半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本下降并非一蹴而就,這也就意味著Si、SiC和GaN將長期處于共存發(fā)展的態(tài)勢,而非簡單的‘第三代必須替換第一代’。“
圖4:程文濤解讀不同PFC解決方案的過程效率圖
大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用升級潛力巨大,快充僅是“投石問路”
誠然,從性價(jià)比的角度來看,硅基功率半導(dǎo)體仍然是在非常寬的應(yīng)用范圍之內(nèi)的不二之選。不過,隨著“碳達(dá)峰、碳中和”概念的全球推行,業(yè)界開始轉(zhuǎn)向電力全產(chǎn)業(yè)鏈的能效提升,包括發(fā)電、輸電、儲能以及用電等各個(gè)環(huán)節(jié),有望通過使用第三代半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)更低的碳排放。事實(shí)上,英飛凌是唯一一家在電力全產(chǎn)業(yè)鏈上提供能效解決方案的半導(dǎo)體公司。通過英飛凌的產(chǎn)品和解決方案,為社會帶來的CO2減排量達(dá)到5600萬噸/年。
據(jù)程文濤介紹,英飛凌對于不同的半導(dǎo)體材料有著清晰的應(yīng)用定位。Si是各向同性的材料,從低功率到高功率都適用,是當(dāng)下最主流的功率半導(dǎo)體材料。SiC適用于高功率、中高開關(guān)頻率的應(yīng)用,如光電、風(fēng)電、電動(dòng)汽車、充電樁、儲能系統(tǒng)等。GaN則偏向于中功率、最高開關(guān)頻率的應(yīng)用,如服務(wù)器、電信、適配器和充電器等。
圖5:英飛凌對于不同半導(dǎo)體材料的應(yīng)用定位
活動(dòng)現(xiàn)場上,英飛凌還展示了幾款面向上述行業(yè)應(yīng)用的大功率電源評估板,如基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板,其突破性地實(shí)現(xiàn)了99%的系統(tǒng)效率以及72W/in3的超高功率密度,可用于儲能系統(tǒng)的雙向充/放電設(shè)計(jì);還有基于CoolGaNTM 的3.6kW LLC電路評估板,其功率密度達(dá)到160W/in3,LLC的諧振頻率達(dá)到350KHz,且在如此高工作頻率下效率仍超過98%,可用于5G通信電源的設(shè)計(jì)等。
圖6:基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板
“相關(guān)數(shù)據(jù)表明,若美國的所有數(shù)據(jù)中心都使用英飛凌CoolGaN™ 產(chǎn)品,那么每年有望節(jié)省40億度電、減排CO2達(dá)到200萬噸。“程文濤補(bǔ)充道,”這是巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和碳減排價(jià)值,但由于行業(yè)對于SiC、GaN的使用規(guī)模還是相對比較小、相關(guān)可靠性的驗(yàn)證仍然不充分,因此業(yè)界對于替換升級還普遍持有謹(jǐn)慎的態(tài)度。“在這樣的背景下,由于GaN生產(chǎn)工藝相對成熟,基于GaN的快充技術(shù)在近兩年飛速發(fā)展,不僅為消費(fèi)者帶來了體積更小、功率更高的充電器產(chǎn)品,另一方面也成為了業(yè)界驗(yàn)證GaN失效模式、變化規(guī)律的“磨刀石“。
程文濤指出,”GaN制造工藝看似簡單、但掌握起來非常困難。例如我們可以采取過度設(shè)計(jì)的方式,將GaN器件的使用壽命定在50年。但是,一個(gè)終端產(chǎn)品使用50年是不現(xiàn)實(shí)的,因此我們必須充分了解GaN的瓶頸在哪,像晶體結(jié)構(gòu)大概多久會壞、什么條件下會壞、壞了會影響多少性能等等,這樣才能在設(shè)計(jì)和制造上打造滿足市場需求的產(chǎn)品!快充應(yīng)用是GaN的‘磨刀石’,它對可靠性、使用壽命等要求沒那么高,英飛凌也推出了專用于快充的CoolGaNTM IPS系列,幫助更好地驗(yàn)證自身的GaN技術(shù),再運(yùn)用到更高功率、更高可靠性要求的行業(yè)應(yīng)用上。“
價(jià)格穩(wěn)步下降,英飛凌布局電力全產(chǎn)業(yè)鏈搶占先機(jī)
目前,SiC和GaN在2021年的價(jià)格相似,但都明顯高于Si。由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)、缺陷密度和產(chǎn)量提高,以及向新一代的技術(shù)升級,第三代半導(dǎo)體的價(jià)格有望在未來幾年迅速下降,但從成本角度來看,短時(shí)間內(nèi)并不會達(dá)到硅基半導(dǎo)體的水平。“值得注意的是,市面上也可能看到一些定價(jià)接近硅基半導(dǎo)體的第三代半導(dǎo)體器件,但并不意味著它的成本就接近硅基半導(dǎo)體,這是為了催生市場的商業(yè)行為。在可預(yù)見的將來,硅基半導(dǎo)體仍然會占據(jù)大部分市場。“程文濤指出。
圖7:第三代半導(dǎo)體的價(jià)格有望迅速降低
在英飛凌看來,第三代半導(dǎo)體器件的價(jià)值來自于性能提升和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化,且隨著價(jià)格下降,某些設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本將接近硅基半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)。作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域排名第一的廠商,英飛凌擁有廣博的功率產(chǎn)品組合,涵蓋了所有功率和頻率范圍,包括MOSFET、SiC MOSFET、SiC模塊、GaN HEMT、IGBT模塊以及單管IGBT等,廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、能源傳輸和配送、能源儲存、能源使用等領(lǐng)域,助力電力全產(chǎn)業(yè)鏈能效提升。
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