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追风逐日,一文读懂英飞凌绿色能源战略

时间:2022-03-17 12:19:05 作者:邵乐峰 阅读:
不断提高可再生能源在我国能源结构中的比重,不断推进各行各业节能减排的进程,是实现中国政府提出的30/60目标的两大必要条件。作为全球功率半导体领军企业,英飞凌非常看好新能源行业未来的发展前景,并正积极参与其中。
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“张北的风,点亮北京的灯。”

刚刚结束的北京2022年冬奥会和冬残奥会,让北京作为全球首个“双奥之城”享誉世界。在此光环背后,更值得我们关注和自豪的,是本届冬奥会也是历史上首个“全绿电”的奥运会——北京冬奥会三大赛区、26个场馆,历史性的首次实现100%绿色电能供应,标志着中国新能源发电和电网建设进入了快速发展的新时代。

千万里“风”“光”,点亮千万家灯火

所谓“绿电”,指的是在生产电力的过程中,它的二氧化碳排放量为零或趋近于零,相较于其他方式(如火力发电),对环境的冲击影响较低,主要来源为太阳能、风力、生质能、地热等。而本届冬奥会所使用的绿电,主要来自河北省张家口市的张北地区,以“风、光、氢”三种形式为主,涵盖发电、输电和用电三大环节。

据张北县政府统计,截止2021年4月,张北地区新能源装机总规模为560万千瓦,其中风电装机规模358万千瓦,并网334万千瓦;光伏建成202万千瓦,并网202万千瓦。未来,经张北柔性直流输电工程,每年可向北京输送约225亿千瓦时(KWh)绿色电能,相当于北京年用电量的十分之一。而在用电侧,北京冬奥会示范运行超1000辆氢燃料汽车,配备30多个加氢站,是全球最大的一次燃料电池汽车示范。

相关数据显示,到冬残奥会结束,北京冬奥场馆共消耗绿电约4亿度,由此减少标煤12.8万吨,减排二氧化碳32万吨。这表明,中国在以实际行动践行“碳达峰、碳中和”承诺的同时,也在让绿色发展理念逐渐成为全社会的共识。

让我们将时钟拨回到2021年3月15日,当时正在召开的中央财经委员会第九次会议,为我国能源电力行业的下一步发展奠定了基调,指明了方向,即:

“构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。”

很显然,中央给出的最新定调——“构建以新能源为主体的新型电力系统”,与能源电力行业包括国家能源局此前对“新一代电力系统”的定义——“构建适应高比例可再生能源发展的新型电力系统”在表述上有着明显差异。

这意味着,低碳发展战略已经成为了一项国家战略。以风电、光伏、水电、新型储能技术为代表的新能源电力体系将很快上升为主体,传统煤电要从电力系统的主体位置上离开,我国传统电力能源结构比例将发生彻底改变。

“中国政府提出的2030碳达峰和2060年碳中和目标,是新能源行业发展的重要支撑,不断提高可再生能源在我国能源结构中的比重,不断推进各行各业节能减排的进程,是实现30/60目标的两大必要条件。”英飞凌科技高级副总裁、工业功率控制事业部(IPC)大中华区负责人,英飞凌集成电路(北京)有限公司执行董事于代辉在接受《电子工程专辑》独家专访时表示,作为全球功率半导体领军企业,英飞凌非常看好新能源行业未来的发展前景,并正积极参与其中。

英飞凌科技高级副总裁、工业功率控制事业部大中华区负责人,英飞凌集成电路(北京)有限公司执行董事于代辉

以本届冬奥会为例,从国家风光储输示范工程二期风电变流器、国家速滑馆“冰丝带”320kW光伏电站光伏逆变器中的IGBT,到张北柔性直流电网±500kV张北换流站高压直流断路器中的4.5KV高压碟式快速二极管、电路输运系统中无数的电能质量(APF有源滤波,SVG静态无功发生器)设备,再到氢燃料客车所使用的SiC MOSFET、AURIX MCU+EiceDRIVER IGBT驱动+1200V/900A双IGBT模块整体解决方案,英飞凌携手多家国内电力设备领域的佼佼者,深度参与到各类冬奥绿电建设和用电保障项目中,一起为绿色冬奥做出贡献。

于代辉指出,目前风电和光伏的发展无疑是一日千里,随着可再生能源比例的提升,为了维持供电系统的稳定性,保证电力系统的调节能力,稳定高效的输配电系统和储能系统的重要性也将逐渐凸显,它们对绿色高效的追求正成为功率半导体发展的重要驱动因素。

但依靠功率半导体实现绿色高效目标的行业又何止新能源一个,从传统的变频器、工业电源,到新能源汽车、充电桩、高铁,以及日常生活中所使用的家用电器,功率半导体的身影无处不在。正如IPC部门对自家产品的描述,“虽然看不见,但是却致力于让大家的生活更美好;虽然摸不到,但是却默默的建设可持续的未来”。

例如,变频器广泛应用于各种工业系统中,对于系统节能减排具有显著的作用;数字化时代带动的数据中心发展提高了对UPS(不间断电源)的需求;电动汽车、高铁、各种变频家电在让生活变得更加便捷、绿色的同时,也带来了更多的市场机遇。

调研机构的数据显示,2021年新能源汽车单车平均半导体含量为600-950美元,其中PHEV和BEV车型的动力总成半导体含量最高,约75%来自逆变器,25%来自OBC、DC-DC、BMS、模拟及其它辅助器件。这意味着,伴随着电动化程度的加深,新能源汽车的功率半导体含量和经济价值正在不断增加。

当然,不同行业对功率半导体的需求不尽相同——有的追求更高的功率密度,有的追求更高的频率,有的追求更高的可靠性,还有的追求最新的技术(如碳化硅),如何非常深刻的理解上百种不同的应用场景?如何加快产品的更新迭代速度,来适应数字化的挑战?对于代辉所领导的IPC事业部来说,既是挑战,也是机遇。

为世界注入无限绿色能源

英飞凌连续18年蝉联全球功率半导体市场占有率第一的殊荣,是当之无愧的行业领导者,其IPC部门在英飞凌“连接现实与数字世界,让人们的生活更便利、更安全、更环保”这一宏大愿景中扮演着非常关键的角色,也为本土的特高压、高铁城铁、新能源充电桩、大数据中心等应用不断添砖加瓦。

“电气化和数字化是驱动我们业务发展的两个长期动力。”于代辉对记者说,如果把一个系统比喻成一个人的话,IPC的产品更像是心脏,是系统的电流中转站和动力中心,通过一次次的跳动(on-off switch),为包括电动汽车、智能家电、服务机器人在内的各级各类系统注入源源不断的动力,这也是IPC部门那句著名的slogan:“为世界注入无限绿色能源”的来历。

我们这里所说的“无限”,其实包含两层意义:

第一是指绿色能源(风电、太阳能)本身的无限性,也就是我们常说的“取之不尽,用之不竭”。但绿色能源本身虽然是无限的,但却不能方便的直接使用,所以“无限”的第二层含义,则是说要通过相关的产品将绿色能源转化为更便于使用的形式,而不仅仅局限在古老的风车磨坊或者阳燧取火,从而充分释放绿色能源的无限潜力。

于代辉用下图为我们简单描述了英飞凌功率半导体产品在提升整条能源全价值链效率,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三个环节中扮演的角色——发电端,促成可再生能源到电能的转换,并不断提高能源转化的效率,减少损耗;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;用电端则覆盖广泛,包括了前文中提到的众多应用。

“英飞凌是唯一一家在能源效率方面,可以面向发电、输电、配电和储能领域提供完整产品和系统解决方案的功率半导体公司。”他强调道。

请注意这里所提及的“系统解决方案”。也许您会认为,“将单独的器件组合,以高度系统化的方式运作”,并没有什么值得大书特书之处。但如果回顾英飞凌过去20年的转型之路,从早期非常专注于元器件产品的技术供应商(Technology Provider),到FY09财年以后系统集成商(System Integrator)的定位,再到转型成更加趋向于应用为导向,为客户提供系统解决方案,帮助他们在差异化竞争中取得领先的解决方案供应商(Solution Provider),就会明白这条路走的并不轻松。

2021财年(2020年10月1日至2021年9月30日),英飞凌的总营收首次超过110亿欧元,同时盈利能力也显著提升。用英飞凌公司首席执行官Reinhard Ploss博士的话讲,就是“得益于这种转型,我们现在比以往任何时候都更强大”。 

这种自上而下的,“从产品到系统”的战略方针在IPC部门也得到了很好的贯彻。一方面,英飞凌在传统硅IGBT产品上持续投入,不断推陈出新,满足各种新兴应用提出的新需求;另一方面,不断加大在第三代宽禁带功率半导体领域的投入,与本土市场共同成长。

但从产品技术到解决方案,是一项庞大的系统工程,并非仅靠一己之力就能顺利实现,需要构建一个完善的全价值链生态系统。于代辉对此表示认同,他指出,今后,英飞凌将会继续深化与客户的合作,倾听客户的声音,推出更多满足客户需求的产品,助力他们成为本土市场的技术引领者,甚至是迈向全球市场的先行者。同时,也会继续和功率半导体生态系统中广大的合作伙伴们一起,构建更完善的产业生态,开发更创新的方案,为用户提供更全面的服务。

持续发力第三代半导体

过去的一两年里,晶圆供应短缺一直是制约宽禁带半导体产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求,包括英飞凌在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资,以支持供应链建设。

于是,2022年2月,英飞凌宣布斥资逾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。

而再向前追溯6个月,也就是2021年9月,英飞凌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,有望为英飞凌带来每年约20亿欧元的销售额提升。这座以“面向未来”为座右铭的芯片工厂,总投资额16亿欧元,是欧洲微电子领域同类中最大规模的项目之一,也是现代化程度最高的半导体器件工厂之一。

两家拥有宽禁带半导体量产能力的工厂将极大增强供应链弹性。英飞凌方面预计,到本世纪20年代中期,其碳化硅功率半导体的销售额将提升至10亿美元。同时,氮化镓市场预计也将迎来激增。根据Yole发布的2021年第三季度化合物半导体市场监测报告,氮化镓市场规模将从2020年的4,700万美元增至2025年的8.01亿美元,年复合增长率高达76%。

但其实除了英飞凌之外,不断加码以SiC为代表的第三代半导体的国际国内大厂还有很多,收购、扩产的新闻不绝于耳。英飞凌的核心竞争优势体现在哪里?除了扩充产能,英飞凌今后还有哪些计划以确保自身在SiC市场的优势?自然成为行业关心的热点。

对此,于代辉回应称,从战略层面来看,英飞凌竞争优势的形成主要依托于此前提到的“从产品到系统”的战略方针,以及在该方针指导下所实现的技术领先性、全面的产品组合以及对应用的深刻理解。而从产品角度来看,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,30年来,英飞凌一直走在SiC技术的最前沿,各种性能优异的SiC功率器件层出不穷。

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。

根据规划,未来几年,英飞凌会将位于菲拉赫的开发能力中心与居林工厂高成本效益的宽禁带功率半导体生产制造进行有机结合,并将通过改造菲拉赫工厂现有的硅晶圆制造设备,进一步强化其作为宽禁带半导体技术全球能力中心和创新基地的角色。

熟悉SiC领域的专业人士都比较清楚,SiC最初的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但人们很快发现,碳化硅的电气(更低阻抗/更高频率)、机械(更小尺寸)和热性质(更高温度的运行)也非常适合制造很多大功率汽车电子器件,例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。尤其是特斯拉(Tesla)在其Model 3主驱逆变器中采用了SiC器件之后,示范效应被迅速放大,使xEV汽车市场很快成为SiC市场兴奋的源泉,被认为是重塑碳化硅和氮化镓等新型功率半导体的关键。

但同时,他们对SiC器件往往是“又爱又恨”。一方面,SiC器件具有高压、高频和高效率的优势,在缩小体积的同时提高了效率,给市场带来的机遇也远远大于挑战。但另一方面,SiC在制造和应用方面又面临很高的技术要求,如何降低使用门槛成为业界热议的话题。

“每一项新的技术从试用到使用,再到大规模商用,都要经过一段很长的时间,这里面既有技术的成熟度原因,也有产品的成本和供应原因。“于代辉说,技术方面,碳化硅能够带来更好的性能,但未必适用于所有的应用,因此应用范围还不够广泛,市场还有待开发。

在成本和供应方面,和传统的硅器件相比,碳化硅生长缓慢,尺寸小(6英寸为主,少量8英寸有商业化,而硅则是12英寸),因此成本居高不下。加之目前应用领域有限,而且是最近一两年才开始爆发式增长,因此产能的扩张明显落后于需求的增长,规模效应还没有发挥出来。

理论上而言,随着各种碳化硅项目纷纷上马、上游供应量提升、以及在更多领域得以应用,碳化硅产品的使用门槛应该将会有所降低。而且即便最终“单个SiC器件的成本还是会高于传统Si器件”,由于节省了系统级成本,这对包括新能源汽车在内的很多市场而言反而更具吸引力。

近年来,不少SiC厂商选择了从晶圆制造,到封装测试,再到最终成品的“垂直整合”模式,在与记者讨论这是否是降低价格,加速产品上市的最好方法时,于代辉指出,半导体行业是一个重资产的行业,生产线投资巨大,对于新进入者来说,巨大的投资就意味着更高的风险,这也是为什么很多公司都是从fabless设计公司开始,通过与专注于代工生产的foundry合作来生产自己的产品。IDM模式未必能降低产品价格,但是却可以让厂商有更高的自主性来迭代改善产品,改进生产工艺。因此有实力、并有志于在SiC领域建立长期领导力的企业,一般都会选择垂直整合模式。

不过,于代辉也同时提醒业界说,尽管现在宽禁带半导体的热度非常高,SiC俨然已经成为功率半导体行业的“顶流”,但“好钢要用在刀刃上”,并不是所有的应用都需要碳化硅的这些特性,毕竟现阶段SiC器件的价格比传统硅器件贵很多。

“目前比较适合SiC应用的行业有光伏发电、电动汽车和充电桩,算是迈出了从传统硅器件转向碳化硅器件的第一步,至于其它行业是否会跟进,还要通过更长时间来检验,同时也有赖于碳化硅器件成本的下降速度。“于代辉坚持认为,今后很长的一段时间之内,IGBT和SiC将会是一个共存的状态,会各自在最能发挥他们产品性能的应用中继续扮演关键的角色。

为此,英飞凌还在无锡扩建了IGBT模块和功率半导体生产线,准备将其打造成为英飞凌最大的IGBT生产基地之一,以更丰富的IGBT产品线,满足快速增长的可再生能源、各工业领域节能减排、新能源汽车、高铁、变频家电、新兴行业(比如e-truck, e-marine, e-plane等)等领域的应用需求。

结语

从人口增长与社交方式的改变,到气候变化与资源的逐渐匮乏;从大幅加快的城市化进程,到全球数字化转型,过去的两年里,全球经历了巨大的转变,社会和企业对半导体技术的态度也已经从此前的“渐进式采用”转变为“变革性采用”。那么,如何紧握“电气化”和“数字化”机遇,将自己锻造成为行业真正的领导者、践行者和创新者,是低碳互联新时代给业界出的一道难题,也是一道好题,而英飞凌则给出了自己的答案。

2022年4月20日,Aspencore将在上海国际会议中心举办IIC Shanghai (国际集成电路展览会暨研讨会),届时英飞凌将参加20日举办的2022 国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛,英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级技术总监 陈立烽将作为演讲嘉宾发表演讲。欢迎大家点击这里报名,到场共同探讨中国新能源发电和电网建设大趋势,发现大商机。

责编:Lefeng.shao
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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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