第三代半導體開辟碳中和新賽道

2021-12-13 18:11:06

特斯拉在Model3使用了意法半導體生產的碳化硅MOSFET,開啟了碳化硅上車之路。碳化硅 MOSFET 模組使特斯拉的逆變器效率從Model S的82%提升至Model 3的90%。

比亞迪旗艦車型“漢”搭載了高性能碳化硅MOSFET電機控制模塊,助力其0-100km/h加速僅需3.9秒。比亞迪預計2023年將采用碳化硅半導體全面替代IGBT半導體,整車續航性能將在現有基礎上再提升10%。

隨著綠色低碳戰略的不斷推進,提升能源利用效率和能源轉換效率已經成為各行各業的共識。以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體(第三代半導體)成為市場聚焦的新賽道。

“寬禁帶半導體具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能。以效率優勢帶來節能優勢,是寬禁帶半導體貢獻碳中和的著力點?!?蘇州能訊高能半導體有限公司董事總經理任勉向《中國電子報》記者表示。

寬禁帶半導體將大幅降低能源損耗

“基于動態參數小、效率高、損耗小、發熱小等優勢,寬禁帶半導體對于節能減排做出了積極貢獻,將對碳中和起到重要的推進作用?!?安森美半導體電源方案部市場營銷經理袁光明向《中國電子報》記者指出。

具體來看,寬禁帶半導體切合了電力電子、光電子和微波射頻等領域的節能需求。在電力電子領域,碳化硅功率器件相比硅器件可降低50%以上的能源損耗,減少75%以上的設備裝置,有效提升能源轉換率。在光電子領域,氮化鎵具有光電轉換效率高、散熱能力好的優勢,適合制造低能耗、大功率的照明器件。在射頻領域,氮化鎵射頻器件具有效率高、功率密度高、帶寬大的優勢,帶來高效、節能、更小體積的設備。

寬禁帶半導體低功耗、高效能的特點,吸引了國內外技術提供商和下游應用企業紛紛布局。在上游供應側,Cree、英飛凌、意法半導體、安森美、羅姆等國際企業,比亞迪、三安光電、華潤微、泰科天潤、基本半導體、蘇州能訊等國內企業,為市場輸送基于碳化硅、氮化鎵的二極管、晶體管和功率模塊,并應用于控制、驅動、電池等各種電力系統中。

在下游產品側,寬禁帶半導體已經能被消費者清晰感知。2018年,特斯拉在Model3使用了意法半導體生產的碳化硅MOSFET,開啟了碳化硅上車之路。SiC MOSFET 模組使特斯拉的逆變器效率從Model S的82%提升至Model 3的90%,并降低了傳導和開關損耗,實現了續航能力的提升。

2020年2月,小米發布一款65W氮化鎵充電器產品,能夠為type-C接口的PC和手機充電。該充電器上線即售罄,預約人數一度超過10萬,引爆了氮化鎵在消費市場的普及之路。

寬禁帶半導體應用開始大規模落地

碳中和引發的電力系統和產業結構變革,既促進了新能源汽車等新興產業的發展,也對數據中心等高耗能場景提出了更高的能效指標,并推動了軌道交通等傳統領域的智能化轉型。這些新趨勢都將為寬禁帶半導體開辟可觀的增量市場。

“碳中和涉及得發電、輸變電、用電環節都有寬禁帶半導體的發展空間,重點領域包括電動汽車、充電樁、光伏和風電轉換、以及電子產品充電器等?!?西安電子科技大學研究員郭輝向《中國電子報》記者表示。

減少汽車行業碳排放是實現“雙碳”目標的重要一環,減碳效果明顯的新能源汽車將迎來更廣闊的應用空間。碳化硅能夠為新能源汽車提供能源轉換率更高、體積更小、重量更輕的電機控制器,從而降低整車重量并降低能耗。

在特斯拉首開先河之后,越來越多的車企在電動車型搭載或計劃搭載碳化硅模塊。比亞迪旗艦車型“漢”搭載了高性能碳化硅MOSFET電機控制模塊,助力其0-100km/h加速僅需3.9秒。比亞迪預計2023年將采用碳化硅半導體全面替代IGBT半導體,整車續航性能將在現有基礎上再提升10%。通用汽車將在下一代電動汽車使用碳化硅,并將其視為電力電子設計的重要材料。韓國現代企業計劃在2022年推出的電動汽車上使用公司內部開發的碳化硅芯片。市調機構Yole預計,到2025年,新能源汽車和充電樁領域的碳化硅市場規模將達到17.78億美元,約占碳化硅總市場規模的七成。

軌道交通正在從機械拉閘式控制走向數字化控制,碳化硅能為軌道交通提供更加穩定可控的電子核心器件。碳化硅功率器件已經在軌道交通的牽引逆變器中獲得了應用和驗證,具有廣泛的應用潛力。

大數據、云服務、人工智能的出現,推動全球數據中心的處理能力不斷增長,服務器部署數量隨之攀升。據IDC統計,2020年全球服務器出貨量達到1220萬臺?;诘壍姆掌麟娫?,能更高效地助力數據中心的節能目標。一方面,氮化鎵能夠降低服務器電源的功耗和熱耗。另一方面,氮化鎵器件的生產相比硅器件所需的零件更少,能夠減少生產零件所需的碳排放。納微半導體提供的數據顯示,利用氮化鎵每年可以為全球數據中心節約19億美元左右的電費。

在貼近消費者的用電環節,氮化鎵也有用武之地。目前,小米、蘋果、三星、OPPO、魅族等手機廠商都推出了氮化鎵快充,在縮小充電器體積的同時,為消費者提供更加快速、高效的充電體驗。同時,在太陽能場景中,基于氮化鎵的太陽能逆變器可以實現更小的體積,甚至被消費者放在家里,讓消費者得到更清潔、便宜的電力,這對于實現碳中和的目標很有助益。

技術和產品成熟度仍有巨大提升空間

雖然寬禁帶半導體在節能減排的應用前景已經受到產業界的認可,但要真正在“雙碳”戰略中發揮作用,還需要在技術指標和產品成熟度上繼續提升。

“寬禁帶半導體產品應繼續加強、加深在效率指標的開發,在減小有效體積的同時,提高散熱能力。在產品成熟度以及制造成熟度方面,仍存在進一步優化的空間?!比蚊惚硎?。

“更有效地助力碳中和,需要優化能效、減少能耗。碳化硅應進一步降低正向壓降以降低損耗。氮化鎵需要提升產品的穩定性和一致性?!痹饷髦赋?。

具體而言,電壓和頻率是寬禁帶半導體性能提升和應用拓展的關鍵。以氮化鎵為例,電壓上限的提升,將拓展氮化鎵的應用領域。而頻率上限的提升,將加速氮化鎵產品的標準化、產業化步伐。

“未來電動汽車電池系統的電壓將從目前的400V提升到800V,氮化鎵器件的電壓從650V升到1200V,就能夠應對電動汽車的需求。同時,氮化鎵頻率上限的提升將推動電源形態的變化,使氮化鎵電源的模塊化、標準化成為可能,并實現產能的提升和成本的降低,為氮化鎵的發展帶來更多可能?!奔{微半導體高級應用總監黃秀成向記者指出。

在產業鏈協作方面,氮化鎵器件的性能上探需要與控制器等廠商緊密合作。黃秀成指出,氮化鎵的開關頻率已經做到1MHz-2MHz,但是控制器的指標迭代還沒有完成,納微也在通過與相關廠商的緊密合作助力控制器向高頻方向發展,帶來更精致、高效的氮化鎵電源解決方案。

(文章來源:中國電子報)

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