聚焦光伏发电和充电桩 英飞凌碳化硅功率器件开发和应用引领同侪

章鹰 来源:电子发烧友原创 作者:章鹰 2018-05-21 09:03 次阅读

随着全球人口增加,数字化转型都增加了能源的需求,同时由于全球环保意识抬头,碳化硅SiC这种功率转换材料颇受瞩目。其中,英飞凌、ROHM掌握了碳化硅早期开发和持续推出产品的优势,其功率模组在光伏等再生能源、UPS和充电桩领域,商机已经纷纷涌现。

根据IHS Market的统计报告,英飞凌2017财年总营收70.63亿欧元,工业功率控制营收12.06亿欧元。英飞凌位列全球功率半导体领域的第一位,拥有18.5%的市场份额,是位列第二位的安森美的两倍。英飞凌IGBT模块在中国工业应用领域的市场份额位居第一。

“在功率器件领域,大中华市场的销售额已经占据英飞凌全球销售额的一半,我们非常重视中国客户的声音,致力于为中国客户提供定制化的产品。” 英飞凌科技(中国)有限公司大中华区工业功率控制事业部副总裁于代辉表示。“在中国制造2025年定义的10个行业,有先进轨道交通、高档数控机床、机器人、新能源汽车等8个行业与英飞凌相关,英飞凌先进功率半导体可以帮助家电企业和众多中国制造企业实现从产品数量到产品质量的提升。”

图1:英飞凌大中华区工业功率控制事业部副总裁于代辉先生

英飞凌在IGBT一代功率半导体是龙头企业,如何保持下一代技术继续领先?于代辉指出,半导体功率器件的未来主流将是碳化硅器件,英飞凌在碳化硅功率器件研发、产能制造和系统解决方案上的投入,已经推出系列的碳化硅功率器件。就碳化硅技术的最新进展、市场趋势和应用趋势,英飞凌大中华区工业功率控制事业部副总裁于代辉和英飞凌科技香港有限公司总监马国伟先生做了精彩的分享。

全球碳化硅市场趋势和三大应用领域

据行业报告显示,在中大功率领域(电压1200V~6.5kV),IGBT是市场上的主流产品。IGBT现在每年市场容量达到50亿美元,每年复合增长率达到8%。“据Yole预测,2020年全球SiC应用市场规模达到5亿美元,到2022年全球SiC市场将会进一步增长达到10亿美元的规模。” 于代辉一语指出了SiC应用市场目前正处于起步阶段。

据Yole的分析报告显示,2009年以前,市面上只有英飞凌和CREE提供碳化硅二极管产品,截止到2017年,市场上已经有23家碳化硅二极管供应商。2010年,商用碳化硅MOSFET面试。2017年,碳化硅MOSFET供应商数目成倍增长,这都反映了碳化硅市场转折点已来。

“半导体功率器件的未来主流将是碳化硅器件,SiC应用不会完全取代IGBT,只是在一些高精尖领域应用,有非常大的优势代替IGBT。” 于代辉表示,“电动车充电桩与光伏发电、UPS这三个比较典型的急需从传统的Si器件升级到SiC器件的应用,未来英飞凌在车载充电、电机驱动、牵引等领域也会引入SiC技术和功率器件。”

英飞凌科技香港有限公司总监马国伟博士分析说,碳化硅(SiC)拥有优良的材料特性,可用作高性能的下一代功率半导体的基础材料。使用SiC材料的器件拥有比传统Si材料制品有更好的耐高温耐高压特性,从而能获得更高的功率密度和能源效率。

“碳化硅(SiC)比IGBT的硅基产品价格,大概贵3-5倍,但因为高频,周围电容电感用量明显降低,使用SiC MOSFET的模块,系统成本可以降低30%。我们看好的是SiC在未来市场的应用。”于代辉先生指出,碳化硅功率器件可以带来的好处,更高频率的控制,且功率模块、线圈、电容尺寸明显减小,最终系统成本的降低将开启更多的市场应用空间。

电力电子未来发展的趋势之一是使用更高的开关频率以获得更紧密的系统设计,所以如何降低动态损耗至关重要。马国伟表示,英飞凌开发的SiC MOSFET的低开关损耗特性可大幅降低在高开关频率应用中的损耗。即时在低频及低速应用,亦可带来可观的损耗下降。

英飞凌持续15年投入,碳化硅功率器件确立领先优势

“英飞凌具备15年以上的SiC的研发生产经验,可靠的6英寸SiC晶元供应保证。公司投资3500万欧元做碳化硅的技术研发,未来还会继续推进。碳化硅的原料、衬底、外延生长是缓慢的,如何保证可靠的原料供应?英飞凌和全球碳化硅的供应商签署了长期的协议,确保碳化硅原料得到足够的供应。我们有顶尖的技术团队,扩展碳化硅研发团队。2016年英飞凌推出CoolSiC品牌,2017年开始商业化。”于代辉对英飞凌的碳化硅器件的未来发展充满信心。

2002年,英飞凌最先在业界推出SiC肖特级二级管, 2010年推出包含碳化硅二极管的分立器件,2016年推出CoolSiC MOSFET 碳化硅模块,英飞凌首款分立式1200 V CoolSiC MOSFET的导通电阻(RDS(ON))额定值为45 mΩ。2017年6月开始批量生产EASY 1B。上面的路线图上展示了英飞凌碳化硅MOSFET系列新品迭代路径。

据记者调研得知,SiC技术领域,中国已经紧跟国外先进国家的步伐,在芯片、外延和平台上形成了完整的生态链。业内专家表示,英飞凌代表的国际企业在6英寸晶元技术上的突破,未来碳化硅芯片产量会翻倍,芯片良率可以大规模的提升,成本大规模下降,这些利好消息都会推动包括光伏、充电桩、新能源汽车、UPS领域等碳化硅器件应用市场的升温。

英飞凌工业功率控制事业部总监马国伟博士介绍说,SiC材料的晶体管可以实现比硅基功率器件更高的开关频繁,因此可以提供高功率密度、超小的体积。马国伟表示:“英飞凌的CoolSiC MOSFET具备更大灵活性,可提高效率和频率。它们将有助于电源转换方案的开发人员节省空间、减轻重量、降低散热要求,并提高可靠性和降低系统成本。”

马国伟介绍说,中国的充电桩选址在城市昂贵的地段,体积要小同时还要能支持快速充电。几台车一起快速充电需要达到几百千瓦的功率,一个电动汽车充电站更是要达到百万瓦的功率,相当于一个小区用电的功率规模。传统的硅基功率器件体积大,但SiC模块则可以实现很小的体积满足功率上的要求。

在充电桩应用中,英飞凌的全碳化硅解决方案大幅提升功率密度,从而使充电设备变得更加轻巧便捷。台达电子推出的碳化硅高速充电桩就是一个典型的案例,台达电子经理言超表示,碳化硅模块高效率、小体积和长寿命,非常适应未来充电桩高效率充电的需求,而且在IGBT替代中,除了碳化硅外,目前没有其他新材料可以做到。

于代辉先生在采访当中一直强调,碳化硅市场涌入众多的竞争者,对业界和行业是一件好事,证明了碳化硅技术在全球已经得到越来越多广泛的支持,随着芯片、分立器件和模块在光伏、UPS、充电桩和其他新兴领域的应用,未来市场前景更值得期盼。

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