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领先且可靠,安森美半导体碳化硅布局四大市场

2020-09-14
作者:王洁
来源:电子技术应用

现有硅半导体器件由于受到场强、禁带以及能隙、热导率的限制,其应用被限定在一些低压、低电流、低频率和一般效率的场合。碳化硅(SiC)属于第三代半导体材料,具有宽禁带、高击穿电场、高热导率的特性,适用于高功率密度、高电压、高频率、高效率以及高导热率的应用。

今年,随着新基建风口的兴起,SiC的发展迎来新时代,基于SiC研发的电子元器件正更多地推广到车用电子、5G系统和电源系统中。各大企业纷纷加大SiC投入,欲抢占市场先机。作为全球第二大碳化硅功率组件制造商,安森美的碳化硅布局有何高招?在日前的媒体交流会上,安森美电源方案部产品市场经理王利民给予了解答。

据王利民介绍,安森美半导体碳化硅战略会侧重在电动汽车、电动汽车充电桩、可再生能源、5G电源四个重点市场。

电动汽车/混动汽车:SiC增加续航

在汽车领域,包含两大方面:一是主驱,即主驱逆变器(Traction Inverter),以及车载充电器(OBC)和DC-DC;二是电动汽车充电桩,按照《节能与新能源汽车产业发展规划2012-2020》,到2020年我国充电桩年需求量将达到270万个左右,充电桩市场将会超过1840亿元。此外,新基建、新的内循环等一系列策略都在快速地带动电动汽车充电桩的发展。

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碳化硅的战略市场首先就是电动汽车和混动汽车。电动汽车会是未来碳化硅的主要驱动力之一,占整个碳化硅总体市场容量的约60%,碳化硅每年可以增加多达750美元的电池续航能力,碳化硅器件应用于主驱、OBC、DC-DC,可大幅度提高效率,因此能给电动汽车增加续航能力,有一些电动汽车从不可以销售变成可以销售,售价也大幅度地增长,因为续航里程和售价是成正比的。鉴于以上优点,目前几乎所有做主驱逆变器的厂家都以研究碳化硅做主驱为方向。

在OBC和DC-DC领域,绝大部分厂家是使用碳化硅器件作为高效、高压和高频率的功率器件。例如,美国加利福尼亚州已签署行政命令,到2030年要实现500万辆电动车上路的目标;欧洲也有电动汽车全部替换燃油车的时间表;而在中国各大一线城市,电动汽车可以零费用上牌。这一系列政策都推动了电动汽车的大幅增长,电动汽车对于高压、高频率和高效率器件的需求也推动了碳化硅市场的大幅增长。


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安森美提供了一整套汽车解决方案,包括单管方案、模块方案,以及各种电动车和混动车的车载充电器方案,并可提供整套电路图纸、BOM以及实际的实物。


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在1200V的碳化硅二极管产品中,安森美提供了非常多电压、电流和封装选择,还有晶圆可供选择;650V第1.5代具备世界领先的压降效率水平;还有1700V的高压器件。王利民强调,安森美半导体的碳化硅器件(包括模块)全都满足汽车规范。

电动汽车充电器/桩:对SiC需求越来越强

电动汽车的充电桩市场分两种:一是电动汽车车载充电器(OBC)与车载DC-DC,碳化硅的占比是非常高的,因为车载为了增加续航,通常把电池电压提得比较高,在高电压、高频率和高效率器件里,基本上离不开碳化硅;二是车外的充电桩,也已经有相当一部分的充电桩采用碳化硅器件来提高效率。

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电动汽车充电桩实现的方案有多种,现在消费者最感兴趣的就是直流快充。直流快充的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率,这些都需要通过高电压来实现。在电动汽车充电桩的应用里,碳化硅无论是在Boost,还是输出的二极管,目前有很多使用主开关的碳化硅MOSFET电动汽车充电桩方案,其应用前景非常广阔。

在电动汽车充电站上,安森美半导体拥有一系列功率器件,如碳化硅、模块、IGBT器件。

可再生能源:高压高频器件用于太阳能逆变器是趋势

可再生能源在短期内一直会是整个市场的主方向及趋势。绿色、可再生能源一直处于快速增长中,如今已安装307 GW的安装能量,到2025年将安装500 GW以上。高压、高频率器件在太阳能逆变器里都有非常大的市场空间。

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每年太阳能逆变器的安装量持续增长,目前全球1%的电力来自太阳能,预计未来10-15年将会达到15%。太阳能是免费的,且取之不竭用之不尽。国内已出台相关政策,个人可把太阳能电力卖回给国家电网。碳化硅半导体可应用于太阳能逆变器的Boost,并且随着现在太阳能逆变器成本的优化,已经能看到不少厂家会使用碳化硅的MOSFET作为主逆变的器件,来替换原来的三电平(逆变器)控制复杂电路。政策驱动方面,欧盟有20-20-20目标,即到2020年,能效提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源要达到20%。NEA也设定了清洁能源目标,到2030年要满足中国20%的能源需求。


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安森美半导体在太阳能不间断电源上拥有较高的市场份额。而在相关的电池接口领域,也拥有通信接口感测、保护及安全器件。

5G电源和开关电源:SiC实现98%能效

我国的5G技术世界领先, 6G也在预研中,在这类领先的通信电源场合,5G的电源对于高效率的需求也是巨大的。


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传统的开关电源领域在Boost及高压电源,对功率密度一直有着持之以恒的追求,从最早通信电源的金标、银标,到现在5G通信电源、云数据中心电源,这些都对于高能效有非常高的要求。碳化硅器件没有反向恢复,使得电源能效非常高,可达到98%的能效。电源和5G电源是碳化硅器件最传统,也是目前相对较大的一个市场。

安森美SiC全球领先的可靠性

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安森美半导体的碳化硅器件有全球领先的可靠性,在H3TRB测试(高温度/湿度/高偏置电压)里,安森美半导体的碳化硅二极管可以通过1000小时的可靠性测试。王利民表示,实际测试中,会延长到2000小时,大幅领先于市场的可靠性水平。事实上,安森美半导体曾经是JEDEC可靠性委员会的成员,宽禁带可靠性标准委员会现已并入JEDEC标准委员会,安森美半导体正是可靠性标准委员会的专家之一。

碳化硅大量节省整车厂成本

面对当前的市场竞争,客户不仅需要具备高效率、高能效、高功率密度、高压,还需要较好的成本,这也是碳化硅器件在大幅增长下的一个市场前提。王利民表示,安森美半导体可提供无与伦比的成本结构。

王利民指出,在碳化硅的汽车应用里,最能接受碳化硅性能的是整车厂。因为整车厂在计算成本的时候会把续航(也就是效率,同样的电池充满一次能够跑多少里程)问题计算进去。所有提高的效率最终都反映到了续航里程里,续航里程目前依然是整车厂的痛点。碳化硅器件的应用可以让续航大大地增加。

随着电动汽车销售大幅度地增长,越来越多帮整车厂做主驱的,或者帮整车厂做OBC/DC-DC的,也在大幅使用碳化硅器件,包括一些世界著名的电源厂家。因此,节约的主要是功率损耗,提高的是续航里程。对于整车厂而言,增加的是大量的金钱效益。

尽管碳化硅在各方面的优势“完爆”半导体基础材料硅,但离广泛使用还有很大距离。王利民指出,碳化硅目前有少数几个痛点:第一,碳化硅器件的成本还有一点高。事实上,随着各产业的竞争,各个厂家大量的投入,包括安森美半导体业在持续投入研发,碳化硅器件的成本结构将得到大幅度改善。第二,产能,安森美半导体每年都在进行大量的投入来提高碳化硅的产能。安森美半导体的公司愿景是要成为电源、模拟、传感器和联接方案的可靠供应商,未来5年收入超过100亿美元,成为全球前十大的整合元器件厂商(IDM)。伴随着碳化硅应用的加速落地,一切皆有可能!

 


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