快充僅是第三代半導體應用“磨刀石”，落地這一領(lǐng)域可每年省電40億度

眾所周知，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體，相較傳統的硅材料半導體，具備許多非常優(yōu)異的特性，如高擊穿電場(chǎng)、高熱導率、高電子飽和速率以及抗強輻射能力等。前一個(gè)十年，第三代半導體材料已經(jīng)在基站射頻、功放等通信領(lǐng)域嶄露頭角；2021年，隨著(zhù)“十四五”規劃的提出，中國將加速推動(dòng)以SiC、GaN為代表的第三代半導體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，受益于功率轉換的極大應用潛力，第三代半導體開(kāi)始進(jìn)入新一輪的增長(cháng)周期。

市場(chǎng)調研機構Omdia在《2020年SiC和GaN功率半導體報告》指出，全球SiC和GaN功率半導體的銷(xiāo)售收入，預計從2018年的5.71億美元增至2020年底的8.54億美元。預計未來(lái)十年，每年的市場(chǎng)收入以?xún)晌粩翟鲩L(cháng)，到2029年將超過(guò)50億美元。其中，新能源汽車(chē)以及電源有望成為增量最大的兩個(gè)應用市場(chǎng)。

圖1 Omdia對于SiC和GaN功率半導體的全球市場(chǎng)收入預測

功率半導體三足鼎立，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)勢體現在導通電阻小、寄生參數小等天然特性，且更多國內外廠(chǎng)商加速入局，勢必進(jìn)一步拉低第三代半導體的生產(chǎn)成本。因此，業(yè)界有一部分聲音認為，SiC和GaN將會(huì )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(huì )上，英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部市場(chǎng)總監程文濤在闡述功率半導體的發(fā)展趨勢時(shí)表示，“在功率轉換的研究中，硅基半導體的物理極限已經(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體器件導通損耗的計量方式——Ron x A?？梢钥闯?，硅基半導體在導通損耗上已經(jīng)難以繼續下探，因此業(yè)界開(kāi)始尋求第三代半導體來(lái)實(shí)現更低的導通損耗，從而進(jìn)一步提高系統的轉換效率?！?/p>

圖2 程文濤闡述第三代半導體發(fā)展演進(jìn)趨勢

圖3 英飛凌眼中的高壓半導體器件Ron x A路線(xiàn)圖

舉個(gè)例子，在服務(wù)器、通訊電源應用中，業(yè)界成熟的方案設計在交流電轉換到48V（即交流電轉換到服務(wù)器主板供電）的過(guò)程中實(shí)現98%的效率已經(jīng)屬于“基本操作”。不過(guò)，硅基半導體方案必須使用元件較多、較復雜的拓撲結構；若想進(jìn)一步提升效率、減少元件數量、降低BOM成本，目前業(yè)界比較熱門(mén)的做法是圖騰柱PFC拓撲結構，特別是基于第三代半導體的圖騰柱PFC，其使用元件較少、設計簡(jiǎn)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，基于第三代半導體的CCM圖騰柱是一種簡(jiǎn)單的拓撲方案，且易于實(shí)現必須的99% PFC效率，進(jìn)而使總體效率不低于98%?！背涛臐a充道，“顯然，第三代半導體是在有限的提升空間上，再推動(dòng)系統效率往前跨一步的關(guān)鍵因素。與此同時(shí)，由于第三代半導體的生產(chǎn)成本下降并非一蹴而就，這也就意味著(zhù)Si、SiC和GaN將長(cháng)期處于共存發(fā)展的態(tài)勢，而非簡(jiǎn)單的‘第三代必須替換第一代’?！?/p>

圖4 程文濤解讀不同PFC解決方案的過(guò)程效率圖

大功率轉換應用升級潛力巨大，快充僅是“投石問(wèn)路”

誠然，從性?xún)r(jià)比的角度來(lái)看，硅基功率半導體仍然是在非常寬的應用范圍之內的不二之選。不過(guò)，隨著(zhù)“碳達峰、碳中和”概念的全球推行，業(yè)界開(kāi)始轉向電力全產(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，有望通過(guò)使用第三代半導體實(shí)現更低的碳排放。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體公司。通過(guò)英飛凌的產(chǎn)品和解決方案，為社會(huì )帶來(lái)的CO2減排量達到5600萬(wàn)噸/年。

據程文濤介紹，英飛凌對于不同的半導體材料有著(zhù)清晰的應用定位。Si是各向同性的材料，從低功率到高功率都適用，是當下最主流的功率半導體材料。SiC適用于高功率、中高開(kāi)關(guān)頻率的應用，如光電、風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)、充電樁、儲能系統等。GaN則偏向于中功率、最高開(kāi)關(guān)頻率的應用，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體材料的應用定位

活動(dòng)現場(chǎng)上，英飛凌還展示了幾款面向上述行業(yè)應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)現了99%的系統效率以及72W/in3的超高功率密度，可用于儲能系統的雙向充/放電設計；還有基于CoolGaNTM 的3.6kW LLC電路評估板，其功率密度達到160W/in3，LLC的諧振頻率達到350KHz，且在如此高工作頻率下效率仍超過(guò)98%，可用于5G通信電源的設計等。

圖6 基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板

“相關(guān)數據表明，若美國的所有數據中心都使用英飛凌CoolGaN? 產(chǎn)品，那么每年有望節省40億度電、減排CO2達到200萬(wàn)噸?！俺涛臐a充道，”這是巨大的經(jīng)濟價(jià)值和碳減排價(jià)值，但由于行業(yè)對于SiC、GaN的使用規模還是相對比較小、相關(guān)可靠性的驗證仍然不充分，因此業(yè)界對于替換升級還普遍持有謹慎的態(tài)度?！霸谶@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，不僅為消費者帶來(lái)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)界驗證GaN失效模式、變化規律的“磨刀石“。

程文濤指出，”GaN制造工藝看似簡(jiǎn)單、但掌握起來(lái)非常困難。例如我們可以采取過(guò)度設計的方式，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年是不現實(shí)的，因此我們必須充分了解GaN的瓶頸在哪，像晶體結構大概多久會(huì )壞、什么條件下會(huì )壞、壞了會(huì )影響多少性能等等，這樣才能在設計和制造上打造滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品！快充應用是GaN的‘磨刀石’，它對可靠性、使用壽命等要求沒(méi)那么高，英飛凌也推出了專(zhuān)用于快充的CoolGaNTM IPS系列，幫助更好地驗證自身的GaN技術(shù)，再運用到更高功率、更高可靠性要求的行業(yè)應用上?！?/p>

價(jià)格穩步下降，英飛凌布局電力全產(chǎn)業(yè)鏈搶占先機

目前，SiC和GaN在2021年的價(jià)格相似，但都明顯高于Si。由于規模經(jīng)濟、缺陷密度和產(chǎn)量提高，以及向新一代的技術(shù)升級，第三代半導體的價(jià)格有望在未來(lái)幾年迅速下降，但從成本角度來(lái)看，短時(shí)間內并不會(huì )達到硅基半導體的水平?！爸档米⒁獾氖?，市面上也可能看到一些定價(jià)接近硅基半導體的第三代半導體器件，但并不意味著(zhù)它的成本就接近硅基半導體，這是為了催生市場(chǎng)的商業(yè)行為。在可預見(jiàn)的將來(lái)，硅基半導體仍然會(huì )占據大部分市場(chǎng)?！俺涛臐赋?。

圖7 第三代半導體的價(jià)格有望迅速降低

在英飛凌看來(lái)，第三代半導體器件的價(jià)值來(lái)自于性能提升和拓撲結構優(yōu)化，且隨著(zhù)價(jià)格下降，某些設計的系統成本將接近硅基半導體的設計。作為功率半導體領(lǐng)域排名第一的廠(chǎng)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。