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快充仅是第三代半导体应用“磨刀石”,落地这一领域可每年省电40亿度

2021-07-27 10:03 来源:英飞凌 编辑:电源网

众所周知,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体,相较传统的硅材料半导体,具备许多非常优异的特性,如高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率以及抗强辐射能力等。前一个十年,第三代半导体材料已经在基站射频、功放等通信领域崭露头角;2021年,随着“十四五”规划的提出,中国将加速推动以SiC、GaN为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程,受益于功率转换的极大应用潜力,第三代半导体开始进入新一轮的增长周期。

市场调研机构Omdia在《2020年SiC和GaN功率半导体报告》指出,全球SiC和GaN功率半导体的销售收入,预计从2018年的5.71亿美元增至2020年底的8.54亿美元。预计未来十年,每年的市场收入以两位数增长,到2029年将超过50亿美元。其中,新能源汽车以及电源有望成为增量最大的两个应用市场。

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图1:Omdia对于SiC和GaN功率半导体的全球市场收入预测

功率半导体三足鼎立,宽禁带“接棒”硅、探索能效极限

谈及功率领域,SiC、GaN对比硅材料的优势体现在导通电阻小、寄生参数小等天然特性,且更多国内外厂商加速入局,势必进一步拉低第三代半导体的生产成本。因此,业界有一部分声音认为,SiC和GaN将会很快全面替代硅材料,而事实上真是这样吗?

在日前举办的EEVIA 第九届年度中国电子 ICT 媒体论坛暨 2021 产业和技术展望研讨会上,英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛在阐述功率半导体的发展趋势时表示,“在功率转换的研究中,硅基半导体的物理极限已经被探知,大概在0.4 [Ω mm2]左右徘徊,这是用于表征高压半导体器件导通损耗的计量方式——Ron x A。可以看出,硅基半导体在导通损耗上已经难以继续下探,因此业界开始寻求第三代半导体来实现更低的导通损耗,从而进一步提高系统的转换效率。”

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图2:程文涛阐述第三代半导体发展演进趋势

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图3:英飞凌眼中的高压半导体器件Ron x A路线图

举个例子,在服务器、通讯电源应用中,业界成熟的方案设计在交流电转换到48V(即交流电转换到服务器主板供电)的过程中实现98%的效率已经属于“基本操作”。不过,硅基半导体方案必须使用元件较多、较复杂的拓扑结构;若想进一步提升效率、减少元件数量、降低BOM成本,目前业界比较热门的做法是图腾柱PFC拓扑结构,特别是基于第三代半导体的图腾柱PFC,其使用元件较少、设计简单,且效率最高。

“从这款用于服务器、通讯电源的3kW SMPS方案可以看出,基于第三代半导体的CCM图腾柱是一种简单的拓扑方案,且易于实现必须的99% PFC效率,进而使总体效率不低于98%。”程文涛补充道,“显然,第三代半导体是在有限的提升空间上,再推动系统效率往前跨一步的关键因素。与此同时,由于第三代半导体的生产成本下降并非一蹴而就,这也就意味着Si、SiC和GaN将长期处于共存发展的态势,而非简单的‘第三代必须替换第一代’。“

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图4:程文涛解读不同PFC解决方案的过程效率图

大功率转换应用升级潜力巨大,快充仅是“投石问路”

诚然,从性价比的角度来看,硅基功率半导体仍然是在非常宽的应用范围之内的不二之选。不过,随着“碳达峰、碳中和”概念的全球推行,业界开始转向电力全产业链的能效提升,包括发电、输电、储能以及用电等各个环节,有望通过使用第三代半导体实现更低的碳排放。事实上,英飞凌是唯一一家在电力全产业链上提供能效解决方案的半导体公司。通过英飞凌的产品和解决方案,为社会带来的CO2减排量达到5600万吨/年。

据程文涛介绍,英飞凌对于不同的半导体材料有着清晰的应用定位。Si是各向同性的材料,从低功率到高功率都适用,是当下最主流的功率半导体材料。SiC适用于高功率、中高开关频率的应用,如光电、风电、电动汽车、充电桩、储能系统等。GaN则偏向于中功率、最高开关频率的应用,如服务器、电信、适配器和充电器等。

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图5:英飞凌对于不同半导体材料的应用定位

活动现场上,英飞凌还展示了几款面向上述行业应用的大功率电源评估板,如基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM图腾柱PFC评估板,其突破性地实现了99%的系统效率以及72W/in3的超高功率密度,可用于储能系统的双向充/放电设计;还有基于CoolGaNTM 的3.6kW LLC电路评估板,其功率密度达到160W/in3,LLC的谐振频率达到350KHz,且在如此高工作频率下效率仍超过98%,可用于5G通信电源的设计等。

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图6:基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM图腾柱PFC评估板

“相关数据表明,若美国的所有数据中心都使用英飞凌CoolGaN™ 产品,那么每年有望节省40亿度电、减排CO2达到200万吨。“程文涛补充道,”这是巨大的经济价值和碳减排价值,但由于行业对于SiC、GaN的使用规模还是相对比较小、相关可靠性的验证仍然不充分,因此业界对于替换升级还普遍持有谨慎的态度。“在这样的背景下,由于GaN生产工艺相对成熟,基于GaN的快充技术在近两年飞速发展,不仅为消费者带来了体积更小、功率更高的充电器产品,另一方面也成为了业界验证GaN失效模式、变化规律的“磨刀石“。

程文涛指出,”GaN制造工艺看似简单、但掌握起来非常困难。例如我们可以采取过度设计的方式,将GaN器件的使用寿命定在50年。但是,一个终端产品使用50年是不现实的,因此我们必须充分了解GaN的瓶颈在哪,像晶体结构大概多久会坏、什么条件下会坏、坏了会影响多少性能等等,这样才能在设计和制造上打造满足市场需求的产品!快充应用是GaN的‘磨刀石’,它对可靠性、使用寿命等要求没那么高,英飞凌也推出了专用于快充的CoolGaNTM IPS系列,帮助更好地验证自身的GaN技术,再运用到更高功率、更高可靠性要求的行业应用上。“

价格稳步下降,英飞凌布局电力全产业链抢占先机

目前,SiC和GaN在2021年的价格相似,但都明显高于Si。由于规模经济、缺陷密度和产量提高,以及向新一代的技术升级,第三代半导体的价格有望在未来几年迅速下降,但从成本角度来看,短时间内并不会达到硅基半导体的水平。“值得注意的是,市面上也可能看到一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不意味着它的成本就接近硅基半导体,这是为了催生市场的商业行为。在可预见的将来,硅基半导体仍然会占据大部分市场。“程文涛指出。

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图7:第三代半导体的价格有望迅速降低

在英飞凌看来,第三代半导体器件的价值来自于性能提升和拓扑结构优化,且随着价格下降,某些设计的系统成本将接近硅基半导体的设计。作为功率半导体领域排名第一的厂商,英飞凌拥有广博的功率产品组合,涵盖了所有功率和频率范围,包括MOSFET、SiC MOSFET、SiC模块、GaN HEMT、IGBT模块以及单管IGBT等,广泛应用于可再生能源发电、能源传输和配送、能源储存、能源使用等领域,助力电力全产业链能效提升。

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