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以先进功率半导体技术助力零碳能源应用

英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级技术总监陈立烽日前在由AspenCore主办的2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)上指出,从人口和社会变迁、气候变化和资源稀缺,到城市化和数字化转型,过去两年里,全球经历巨大转变的同时,也给半导体技术提供了广阔的发展空间。

随着中国政府2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”目标的提出,各行各业对绿色高效目标的追求正成为功率半导体发展的重要驱动因素。英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级技术总监陈立烽日前在由AspenCore主办的2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)上指出,从人口和社会变迁,到气候变化和资源稀缺;从大幅加快的城市化进程到全球数字化转型,过去两年里,全球经历巨大转变的同时,也给半导体技术提供了广阔的发展空间。rR7esmc

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英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级技术总监陈立烽rR7esmc

作为同时拥有涵盖硅器件和碳化硅、氮化镓两种第三代半导体器件的全产品组合的企业,英飞凌连续18年占据全球功率半导体市场占有率第一的宝座。通过MOSFET(Si/SiC)、IGBT、HEMT(GaN)、智能功率开关、照明驱动芯片、电机控制芯片、电源管理芯片、智能功率模块(IPM)组成的功率产品矩阵,提供涵盖瓦至兆瓦功率范围的高能效解决方案,贯穿包括可再生能源发电、能源传输与配送、能源储存与能源使用在内的整条能源全价值产业链。rR7esmc

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英飞凌帮助优化整个电能产业链的能源效率rR7esmc

提升全能源全价值链效率

发电端,功率半导体器件是促成可再生能源到电能转换,并不断提高能源转化效率,减少损耗的关键。如下图所示,近年来,随着光伏/风电平价上网比例不断增加,相比日益高涨的化石能源价格,新能源发电成本呈不断降低态势。这其中,以IGBT、几百千瓦到几兆瓦集中式光伏逆变器、控制驱动IC、控制系统为代表的英飞凌智慧能源方案,得到了行业越来愈多的青睐。rR7esmc

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最近几年国内的光伏发电应用发展迅猛,产品和技术已基本领先全球同行,因此中国光伏逆变器的生产厂家动向已代表了国际光伏发展的大趋势。其中最引人注目的就是组串逆变器单机功率的不断提升,无论是1100V系统还是1500V系统,其单机功率均已达到前所未有的高度,以1500V系统为例,从前两年的主流100~150kW,今年各大厂商已升级到200kW~250kW。另外,光伏应用的拓扑多样且多变化,这些都对传统的器件封装提出了新的挑战—即设计灵活,成本优化,且能满足各大客户的客制化需求。rR7esmc

为此,英飞凌在之前已被业界广泛采用的Easy1B和Easy2B的基础上,新推出了无基板Easy封装家族的衍生系列—Easy3B封装,基于2片Easy2B尺寸DCB的新封装;以及采用Prime PACK封装的IGBT5 and.XT电源模块,可使功率输出提升25%,寿命延长10倍,损耗降低20%。rR7esmc

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输配电网络中,处于换流阀中的功率半导体是实现交直流转变的关键单元,同时也大量优化电能质量设备(无功补偿,有源滤波等)的核心组成部分。在英飞凌相关方案的加持下,高压直流输电系统将能够节省14%的输电损耗。rR7esmc

用电端则覆盖广泛,智能家居就是其中最具代表性的行业之一。以常见的家用空调设备为例,它们非常强调智能化、小体积、强功能、更节能,高效节能的CIPOS™ Mini智能功率模块就十分合适。它不但具有最高功率密度,还集成了多种功率和控制元件来提高可靠性,并优化PCB尺寸和降低系统成本,适用于空调、洗衣机、冰箱、真空吸尘器、压缩机等多种应用场合中的控制变频器。rR7esmc

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“数据显示,CIPOS智能功率模块系列每年可节省24bn kWh能耗,相当于减少1400万吨二氧化碳的排放。同时,我们预计到2028年全球范围内将会新装空调超过10亿台,采用CIPOS智能功率模块的变频空调,每台将至少降低50%的能耗。”陈立烽说。rR7esmc

此外,随着真空吸尘器、扫地机器人、吹风机、榨汁机/搅拌机、电磁炉、吊扇、净水器、空气净化器、除湿器为主的小家电市场增长迅猛,它们也普遍希望以同等体积实现更高功率,或以更小体积实现同等功率。而以CIPOS智能功率模块、iMOTION系列、TRENCHSTOP IGBT系列为代表的英飞凌功率器件组合,可以确保将功率器件的损耗降至最低,同时集成监测和控制,简化设计导入,使成本保持在可以接受的水平,有效推动了市场对更高效率驱动系统的需求。rR7esmc

电机控制系统是功率半导体器件在物联网领域中最典型的应用场景之一,英飞凌也非常看重。随着“双碳”、“减排”理念越来越受到重视,传统耗电大户的电机控制系统正朝着高效化、高频化、小型化、智能化方向发展,受可靠性、可维护性、用户体验影响,未来BLDC/PMSM无刷电机将持续替换有刷电机,市占率将进一步提升。rR7esmc

新一代IGBT器件IGBT7是英飞凌专为变频驱动而设计的,尤其适用于通常以中等开关频率工作的电机驱动应用。微沟槽(MPT)技术是IGBT7能够显著降低正向电压,增加漂移区导电率的关键,在其加持下,与前几代芯片技术相比,IGBT7的损耗得到了显著降低。rR7esmc

如下图所示,与IGBT4相比,最新一代IGBT7的饱和压降减少了20%,可以在175度温度内正常工作。传统25安培的IGBT方案,如果换用IGBT7,在其他条件不变的情况下就可以实现35%的功率输出,为驱动更大的电机带来了可能。rR7esmc

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除了传统的硅功率器件,作为新材料的SiC凭借更低阻抗/更高频率、更小尺寸和更高温度的运行特质,赢得了电动汽车和充电桩行业的追捧,尤其是在制造车载充电器、降压转换器和主驱逆变器等大功率汽车电子器件方面。rR7esmc

发力第三代功率半导体

SiC和GaN是无可争议的行业热点。陈立烽以英飞凌600V/650V CoolSiC、CoolMOS与CoolGaN的应用定位为例,讲述了三者之间的应用定位。硅在电压范围为25V-6.5kV仍是主流技术,适用于从低到高功率的应用;碳化硅适用的电压范围是650V-3.3kV,适用于开关频率从中到高的大功率应用;而氮化镓适用的电压范围是80V-650V,适用于开关频率最高的中等功率应用。因此,在600V和650V电压等级,CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN是可以实现共存的。rR7esmc

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从产品角度来看,从1992年开始研发包含SiC二极管在内的功率半导体,到2001年发布世界上第一款商业化SiC功率二极管,截至目前,英飞凌已发布200款CoolSiC™产品,其中有超过130个型号针对客户的创新需求进行了开发,在全球范围内更是拥有超过3,000家的活跃客户。公司为SiC业务制定的目标是到本世纪20年代中期,SiC产品的销售额达到10亿美元水平。rR7esmc

除了产品本身,英飞凌还在2018年收购了Siltectra公司,其出色的冷切割技术优化了工艺流程,可大幅提高对SiC原材料的利用率。rR7esmc

产能方面,英飞凌先后在2021年9月宣布位于奥地利菲拉赫的300毫米薄晶圆功率半导体芯片工厂正式启动运营,随后又在2022年2月宣布斥资逾20亿欧元,在马来西亚居林工厂建造第三个厂区。建成之后,新厂区将用于生产碳化硅和氮化镓功率半导体产品,每年可为英飞凌创造20亿欧元的收入。rR7esmc

“目前,英飞凌的产品累计帮助减排超过5,400万吨二氧化碳,创造的净生态效益相当于一座1,874 km2光伏发电厂的碳减排量,欧洲约9,000万人口的平均年用电总量,5万趟从慕尼黑飞往新加坡的空客A380满员航班。”陈立烽说,根据英飞凌的“2030年碳中和承诺”,2025年公司将减少70%的二氧化碳排放,2030年将主要通过避免排放来实现碳中和,持续践行“低碳化和数字化”战略。 rR7esmc

责编:Lefeng
邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
IIC
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