第三代半導體開辟碳中和新賽道

特斯拉在Model3使用了意法半導體生產(chǎn)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到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(xù)航性能將在現(xiàn)有基礎上再提升10%。

 

隨著綠色低碳戰(zhàn)略的不斷推進，提升能源利用效率和能源轉換效率已經(jīng)成為各行各業(yè)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(yōu)越性能。以效率優(yōu)勢帶來節(jié)能優(yōu)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(jīng)理任勉向《中國電子報》記者表示。

 

第三代半導體將大幅降低能源損耗

 

“基于動態(tài)參數(shù)小、效率高、損耗小、發(fā)熱小等優(yōu)勢，寬禁帶半導體對于節(jié)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(jīng)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(jié)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(yōu)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(yōu)勢，帶來高效、節(jié)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(yè)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(yè)，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(yè)，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(tǒng)中。

 

在下游產(chǎn)品側，寬禁帶半導體已經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)了續(xù)航能力的提升。

 

2020年2月，小米發(fā)布一款65W氮化鎵充電器產(chǎn)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(shù)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(guī)模落地

 

碳中和引發(fā)的電力系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)結構變革，既促進了新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也對數(shù)據(jù)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(tǒng)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。

 

“碳中和涉及的發(fā)電、輸變電、用電環(huán)節(jié)都有寬禁帶半導體的發(fā)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(chǎn)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(yè)碳排放是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要一環(huán)，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，使其0到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(xù)航性能將在現(xiàn)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(xiàn)代企業(yè)計劃在2022年推出的電動汽車上使用公司內部開發(fā)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(guī)模將達到17.78億美元，約占碳化硅總市場規(guī)模的七成。

 

軌道交通正在從機械拉閘式控制走向數(shù)字化控制，碳化硅能為軌道交通提供更加穩(wěn)定可控的電子核心器件。碳化硅功率器件已經(jīng)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(shù)據(jù)、云服務、人工智能的出現(xiàn)，推動全球數(shù)據(jù)中心的處理能力不斷增長，服務器部署數(shù)量隨之攀升。據(jù)IDC統(tǒng)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(shù)據(jù)中心的節(jié)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(chǎn)相比硅器件所需的零件更少，能夠減少生產(chǎn)零件所需的碳排放。納微半導體提供的數(shù)據(jù)顯示，利用氮化鎵每年可以為全球數(shù)據(jù)中心節(jié)約19億美元左右的電費。

 

在貼近消費者的用電環(huán)節(jié)，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(xiàn)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(xiàn)碳中和的目標很有助益。

 

技術和產(chǎn)品成熟度仍有巨大提升空間

 

雖然寬禁帶半導體在節(jié)能減排上的應用前景已經(jīng)受到產(chǎn)業(yè)界的認可，但要真正在“雙碳”戰(zhàn)略中發(fā)揮作用，還需要在技術指標和產(chǎn)品成熟度上繼續(xù)提升。

 

“寬禁帶半導體產(chǎn)品應繼續(xù)加強、加深在提高效率指標方面的開發(fā)，在減小有效體積的同時，提高散熱能力。在產(chǎn)品成熟度以及制造成熟度方面，仍存在進一步優(yōu)化的空間。”任勉表示。

 

“更有效地助力碳中和，需要優(yōu)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(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。”袁光明指出。

 

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(chǎn)品的標準化、產(chǎn)業(yè)化步伐。

 

“未來電動汽車電池系統(tǒng)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(tài)的變化，使氮化鎵電源的模塊化、標準化成為可能，并實現(xiàn)產(chǎn)能的提升和成本的降低，為氮化鎵的發(fā)展帶來更多可能。”納微半導體高級應用總監(jiān)黃秀成向記者指出。

 

在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)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(jīng)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(fā)展，帶來更精致、高效的氮化鎵電源解決方案。