作为“连接现实世界与数字世界”的领导者与践行者,英飞凌将“未来出行”、“物联网”和“能源效率”视作未来三大主攻方向之一,认为这会给包括功率器件在内的半导体产业提供更多的市场机会。

凭借高效领先的功率半导体技术,英飞凌不但在节能减排方面一直走在全球科技公司的前列,还在积极提出了自己的“2030年碳中和承诺”——即相较于2019年,通过减少和替代的方式,在2025年实现二氧化碳排放量减少70%的目标;到2030年,将主要通过避免排放来实现碳中和。

自信的承诺与英飞凌“低碳化和数字化”战略之间存在着高度契合。作为“连接现实世界与数字世界”的领导者与践行者,英飞凌将“未来出行”、“物联网”和“能源效率”视作未来三大主攻方向之一,认为这会给包括功率器件在内的半导体产业提供更多的市场机会。

IoT Analytics的最新报告印证了上述判断。以物联网市场而言,数据显示,物联网半导体市场规模将有望从2020年的330亿美元增长到2025年的800亿美元,复合年增长率高达19%。其中,物联网微控制器(MCU)、物联网连接芯片组、物联网AI芯片组和物联网安全芯片组和模块,将成为增长最为迅猛的四大领域。

有意思的是,这与英飞凌所定义的物联网设备五大硬件元素:“感知、计算、执行、连接和安全”间,形成了巨大的默契。在英飞凌看来,“感知”是物联网的起点;“计算”等同于物联网设备的“大脑”;“执行”是智能化数字世界的赋能者;“连接”扮演着物联网世界彼此沟通的纽带角色;而“安全”则给予“物”可信赖的身份。

释放功率半导体的魅力

之所以要特别聚焦功率半导体,是因为它是电能/功率处理的核心器件,主要用于电力电子设备的电能变换和控制。典型的功能是在接收到微控制器的计算结果和指令后,进行变频、变压、变流、功率放大和功率管理,对设备正常运行起到关键作用,物联网“执行”这一关键过程就高度依赖功率半导体。

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。

截止到2020年的统计数据显示,英飞凌是分立式IGBT和IGBT模块的“双料冠军”,且大幅领先于竞争者。此外,英飞凌还是2020年智能功率模块市场的第三名。

(图片来源于英飞凌于Q2 FY2022发布的Investor Presentation)

电机控制

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。在传统的电机控制中,当主控MCU发出控制信号后,需要通过门极驱动器驱动MOSFET、IGBT或SiC,如果采用更集成的方案,就会形成智能功率模块方案。

目前,电机控制系统能效管理正呈现三大发展趋势:一是高效化,即从感应电机向BLDC/PMSM电机转变,电机本体能效提升,功率器件开关高频化,功率器件发热量低,温升小;二是小型化,主要体现在PCBA、散热器减小,功率器件封装减小;三是智能化,通过双核,可以实现AI智能分析,提升系统效率功能,并实现远程控制。

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。

机器人

以工业机器人、服务机器人为代表的机器人行业,是一个拥有巨大潜力的市场,涉及功率管理、电机控制、安全性、通信、环境感知、定位和状态感知等多项技术。在这里,包括650V/1200V TRENCHSTOP IGBT7单管器件、Easy IGBT功率模块、600V CoolMOS P7 SJ MOSFET, SiC MOSFET系列在内的功率器件,正默默为缩小控制箱尺寸,提供更高功率密度做出努力。

智能家居

当前,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。

同样的趋势也体现在用于私人住宅的家用空调设备上,它们也同样强调智能化、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。 

此外,为了加快冰箱、洗衣机等较大型家用电器的压缩机设计,英飞凌最新还推出了逆导型IGBT的压缩机评估板或采用CoolMOS™ MOSFET的压缩机评估板,两者都使用了集成电机控制器和栅极驱动器的iMOTION™驱动器。

智能楼宇

经济增长和气温升高是全球电力消费增加的主要原因。在这种背景下,面对功率范围从3千瓦到75千瓦的商用暖通空调系统(HVAC),制定更高的冷却效率标准将有助于减少排放和降低成本。于是,面向商业智能楼宇中的HVAC系统,英飞凌的Econo模块和Easy模块系列为控制压缩机电机提供了最适合的解决方案组合,尤其是带有全新Easy 3B封装的IGBT7技术;对于较小容量的压缩机或风扇控制,智能功率模块和Easy模块则更加合适。

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。

不断升级换代的IGBT模块

乘风破浪的第三代功率半导体

作为新材料的SiC和GaN,与传统硅材料相比,有哪些特性?如下图所示,从物理特性来看,SiC与硅材料的电子迁移率相差不大,但其禁带宽度、临界场强、热导率和电子迁移速度分别是硅材料的3倍、7倍、3倍和2倍。这意味着基于碳化硅和氮化镓材料的功率半导体具有高耐压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性,当应用于开关电源领域中时,具有损耗小、工作频率高、散热性等优点,可以大大提升开关电源的效率、功率密度和可靠性,也更容易满足器件轻薄短小的要求。

Si、SiC和GaN关键参数对比

以英飞凌600V/650V CoolSiC、CoolMOS与CoolGaN的应用定位为例,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。

Si、SiC和GaN在600V和650V电压等级的价值主张

那么在实际应用中,面对Si、GaN和SiC三种器件共存的情况,IC厂商及产品设计师又该如何进行选择?从总的应用趋势看,传统的硅材料开发时间最久,技术成熟度最高,产品范围最广也最完善,性价比最高,未来依然会是各个功率转换领域的主要器件;氮化镓器件由于其在快速开关性能方面的优势,会在追求高效和高功率密度的行业有较快增长,但相比之下价格缺乏优势;碳化硅耐高温,温度系数变化比较小,如果要考虑“易用性”和坚固性、耐用度,碳化硅会是不错的选择。

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。

用于伺服驱动器的1200V CoolSiC™ MOSFET就很具代表性。它的开关损耗要比相应的IGBT选件低80%,且不受温度影响。除了提高整体效率和减少损耗外,碳化硅技术还能提供更高的开关频率,这可以在更加变化多端的控制环境中,给外部和集成的伺服驱动器带来直接优势。

而氮化镓器件不仅可降低耗电和总系统成本,还能提高工作频率、功率密度以及系统整体效率,正日益受到充电器市场和厂商的重视。这一点,也可以从市场上不断涌现的氮化镓充电器新品得以印证。

自2018年起,英飞凌的氮化镓开关管的产品就已实现量产,在通讯和服务器领域持续、稳定地为客户提供电源支持。考虑到大功率、高功率密度、通用性、以及合适的成本是未来充电器市场的主要发展方向,英飞凌推出了包括CoolGaN™ IPS系列、控制器、协议、高压硅MOS、低压硅MOS在内的一站式USB-C充电器解决方案,涵盖功率级、原边、副边驱动,支持客户打造高性能、高可靠性且高成本效益的充电器产品。

英飞凌CoolGaN™ IPS 产品

最新的产品则是采用CoolGaN™ GIT HEMT 600V和一个新型PFC和Hybrid反激式组合IC的100W USB-PD演示器,具有行业基准的功率密度,可在整个输入和输出电压范围内实现最高的效率水平,同时采用小尺寸设计。

结语

“日新月异,行而不辍”。

从碳达峰到碳中和,无疑是需要付出艰苦努力的。对于半导体行业从业者们来说,则意味着一系列与新能源、电子转换、节电相关的技术产品需求会在未来几年内迅速升温。我们有理由相信,面对浩瀚如海洋星辰的物联网产业,通过持续的材料、技术与应用创新,英飞凌将为产业带来更多低碳、高效的互联解决方案。

责编:Rain
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