安森美半导体碳化硅策略及方案直指热点应用

日期:2020-09-01


作者:PSDC主编刘洪

 

 
日前,安森美半导体举办在线媒体交流会,介绍了公司的碳化硅(SiC)策略及方案。安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民(Raymond Wang)表示,作为半导体行业的新兴领袖,安森美半导体将聚焦汽车、工业、云电源和物联网市场的长期增长,以卓越的品质、运营和供应链提升竞争优势,用高能效的半导体帮助使世界更绿、更安全、更包容和互联。
 
领先市场的创新优势
王利民在介绍行业大趋势时表示,安森美半导体是电源、模拟、传感器和联接方案的可靠供应商,致力于促成高能效电子的创新,成为电源、模拟、传感器和联接方案的可靠供应商。公司未来5年收入超100亿美元,成为全球前十大整合元器件大厂(IDM)。
目前,安森美半导体位列前20名集成器件制造商,尤其是在功率半导体细分领域,通过一系列收购,安森美半导体成为了全球第二大功率(分立和模块)半导体供应商。
 

 
在汽车、自动驾驶和电动汽车市场,安森美半导体的智能传感器、传感器融合、电源管理和车载网络(IVN)均已用于自动驾驶;领先市场的功率分立器件和电源模块阵容用于48 V和汽车功能电子化,所提供的参考设计简化并加快了客户开发。在工业和云电源领域,其领先市场的高功率分立器件和电源模块阵容用于工业电源;智能电源方案用于数据中心和企业服务器;高能效电源用于5G基础设施;还有高能效宽禁带(WBG)器件和模块。在物联网(IoT)领域,提供超低功耗智能传感器、互联、计算和电源管理,领先市场的视觉和音频方案用于机器视觉和自然的人机界面(HMI);端到端安全互联支持主要的云服务提供商;完整的边缘参考设计和软件简化了客户开发。
他说,安森美半导体的系统解决方案可以为客户提供更高价值,包括器件、参考设计套件、固件/软件/模块和软件开发套件。
 

 
在汽车功能电子化的方面,安森美半导体引领市场,提供丰富的产品组合。车载充电系统包括:650 V超结MOSFET、650 V硅/碳化硅整流器/FET、汽车高压模块、门极驱动器、650 V/750 VIGBT、运算放大器及电流检测、DC-DC/LDO/IVN/ASIC、碳化硅整流器及FET;主驱动包括:650 V/1200 V整流器、1200 V碳化硅整流器及FET、650 V/750 V/1200 VIGBT、运算放大器及电流检测、DC-DC/LDO/IVN/ASIC;风机、泵及压缩机电机控制包括:650 V汽车电源模块、1200 V汽车电源模块、40 V嵌入式控制器、汽车电源模块;电池管理包括:40 VFET(最低导通电阻)、电池电量均衡管理ASIC;高压负载包括:650 V超结MOSFET、650 V硅/碳化硅整流器/FET、650VIGBT、半桥驱动器、P沟道MOSFET、运算放大器及电流检测、DC-DC/LDO/IVN/ASIC、汽车模块;动力转向包括:40 V、80 V和100 V分立MOSFET和KGD裸片、达180 A的转移成型模块;12 V-48 VDC-DC包括:80 V/100 VFET、半桥驱动器、40 VFET、运算放大器及电流检测、DC-DC/LDO/IVN/ASSP。
安森美半导体还提供全面的能源基础设施方案,如用于EV充电站的IGBT、超结MOSFET、HVGaN 晶体管、HVSi/SiC整流器、1200 VIGBT PIM、SiCMOSFET PIM;用于太阳能和不间断电源的通信接口感测、保护及安全;以及用于电池接口的HVPFC/PWM 控制器、PFC模块、半桥驱动器、光电耦合器和电隔离。
 
SiC战略的重点市场
王利民认为,现有硅半导体器件,由于受到场强、禁带及能隙、热导率的限制,其应用被限定在一些低压、低电流、低频率和一般效率的场合。为了达到现在新能源、汽车以及通信应用对于高功率密度、高电压、高频率、高效率,以及高导热率的要求,新一代的宽禁带半导体材料碳化硅以及其他的宽禁带半导体材料应运而生。这些材料具有介电击穿场强高10倍、电子饱和速度高2倍、能带隙高3倍和热导率高3倍的优势,快速增长的SiC市场更是人们关注的焦点。
 

 
   碳化硅市场正处于快速增长中,根据各大咨询机构统计,碳化硅在电源的功率因数校正(PFC)、太阳能逆变器、光伏逆变器、不间断电源、5G、通信电源、高频开关电源领域都拥有非常广阔的市场。碳化硅相较硅具有一定优势,且碳化硅市场容量每年都有大幅度增长。
 

 
他说,安森美半导体SiC战略的重点市场涵盖汽车、电动汽车充电桩/器、可再生能源、电源,以及医疗、电机控制、工业设备、辅助电源、铁路、风力发电和电器等市场。
谈到电动汽车(EV)/混动汽车(HEV)市场,他认为,电动汽车是未来几年SiC的主要驱动力(约占TAM的60%),SiC每年可增加多达750美元的电池续航力。SiC器件应用于主驱、OBC、DC-DC,可大幅度提高效率,增加续航能力,让一些电动汽车从不好销售变成可以销售,售价也大幅度增加。
 

 
鉴于以上优点,目前几乎所有做主驱逆变器的厂家都以研究SiC做主驱为方向。在OBC和DC-DC领域,绝大部分厂家是使用SiC器件作为高效、高压和高频率的功率器件。例如,美国加利福尼亚州已签署行政命令,到2030年要实现500万辆电动车上路的目标;欧洲也有电动汽车全部替换燃油车的时间表;而在中国各大一线城市,电动汽车可以零费用上牌。这一系列政策都推动了电动汽车的大幅增长,电动汽车对于高压、高频率和高效率器件的需求也推动了碳化硅市场的大幅增长。
在5G电源和开关电源(SMPS)领域,要求功率密度增加60%,能效提高1%,PFC升压转换器具有更高能效(98%)、更高频率、更高功率密度、双向电源流和更少器件数的优势,满足云数据中心的需要。
 

     
在电动汽车充电器/桩市场,现有充电桩多数为1级/2级,而消费者要求等同于在加油站加满油(直流充电)的时间,随着功率和速度的提高,加上政府政策的驱动,对SiC的需求越来越强,以实现更高级别的充电桩。国家政策和新基建、新的内循环等一系列策略都在快速地带动电动汽车充电桩的发展。


 
在太阳能逆变器市场,如今已安装307吉瓦,到2025年将安装500+吉瓦。目前全球1%的电力将来自太阳能,预计未来10-15年将达到15%;太阳能使个人能够将电力卖回电网。从硅转移到碳化硅可提高能效,减小尺寸并降低成本。在政府政策驱动下,欧盟的20-20-20目标(到2020年,能效提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源达到20%)和中国的清洁能源目标(到2030年满足中国20%的能源需求)都将推动碳化硅的应用。
 
SiC客户的价值所在
安森美半导体为SiC客户带来的价值体现在集成制造和规模推动的卓越成本结构;全球快速响应的供应链,约95%的按时交付率;全球领先的可靠性,以及广泛的产品阵容和应用专长,以创建完整的方案。
具体讲,在H3TRB测试(高温度/湿度/偏置电压)的85C/85% RH、VCE=960V测试条件下,竞争对手的1200 V,8 A器件168小时即BV失效;安森美半导体的1200 V,10 A器件1000小时通过测试未失效。实际测试中,安森美半导体会延长到2000小时,大幅领先于市场的可靠性水平。
 

 
除了领先的可靠性,安森美半导体的SiC均符合车规要求;在性价比方面,SiCMOSFET接近理想的开关,很好地结合了低Rds_on和低开关损耗,支持更高的电压(>600 V)。同是1200 V击穿电压,Si MOSFET需要100倍的面积才能达到SiCMOSFET的Rds_on。相比硅方案,SiC还有GaN方案在体积、开关速度等方面都有很大优势。
 

 
在太阳能应用中,不管SiCMOS是分立器件或SiC功率集成模块(PIM),安森美半导体的15kW SiCMOS升压方案都比IGBT方案具有总成本优势。安森美半导体SiC还可以构建完整的汽车车载充电器(OBC)方案,实现更长的续航里程。
 

 
王利民再次强调,安森美半导体的SiC二极管1200 V、SiC二极管650 V第1.5代、SiC二极管1700 V和SiC二极管650 V第1.0代都符合车规要求;SiC MOS 1200 V和SiC MOS 900 V也是如此。
据介绍,SiC二极管浪涌能力很好,以1200V 15A器件为例,相比并联平面肖特基二极管33 µs脉冲时更高的740 A浪涌电流,其8.2 ms脉冲的无损浪涌电流为158 A(额定值>10倍)。1200V 15A器件的雪崩电流接近200 A。
 

 
在回答记者关于汽车应用的提问时,王利民表示,最能接受碳化硅性能的其实是整车厂,也就是既自己做主驱,也自己做OBC/DC-DC,同时又做整车的厂家。在中国、美国、日本都有几家这样的厂家。因为这样的厂家在计算整车成本的时候会把续航,也就是效率问题计算进去。所有提高的效率最终都反映在续航里程。不可否认,也许在将来的某一天,续航里程也真的能完全解决,但是目前续航依然是整车厂的痛点。
他认为,碳化硅器件的应用可以让续航大大增加。随着电动汽车销售的大幅度增长,越来越多帮整车厂做主驱,或帮整车厂做OBC/DC-DC的公司,也在更多地使用碳化硅器件,包括一些世界著名的电源厂家。所以碳化硅降低的主要是功率损耗,提高的是续航里程。对于整车厂而言,增加的是大量的金钱效益。
王利民也表示,在电动汽车发展当中,不管是IGBT模块、MOSFET模块,还是碳化硅模块都会大幅度增长,最大的增长还是主驱模块市场。
 

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