快充僅是第三代半導(dǎo)體應(yīng)用“磨刀石”，落地這一領(lǐng)域可每年省電40億度

眾所周知，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體，相較傳統(tǒng)的硅材料半導(dǎo)體，具備許多非常優(yōu)異的特性，如高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率以及抗強(qiáng)輻射能力等。前一個十年，第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)在基站射頻、功放等通信領(lǐng)域嶄露頭角；2021年，隨著“十四五”規(guī)劃的提出，中國將加速推動以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，受益于功率轉(zhuǎn)換的極大應(yīng)用潛力，第三代半導(dǎo)體開始進(jìn)入新一輪的增長周期。

市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Omdia在《2020年SiC和GaN功率半導(dǎo)體報(bào)告》指出，全球SiC和GaN功率半導(dǎo)體的銷售收入，預(yù)計(jì)從2018年的5.71億美元增至2020年底的8.54億美元。預(yù)計(jì)未來十年，每年的市場收入以兩位數(shù)增長，到2029年將超過50億美元。其中，新能源汽車以及電源有望成為增量最大的兩個應(yīng)用市場。

圖1 Omdia對于SiC和GaN功率半導(dǎo)體的全球市場收入預(yù)測

功率半導(dǎo)體三足鼎立，寬禁帶“接棒”硅、探索能效極限

談及功率領(lǐng)域，SiC、GaN對比硅材料的優(yōu)勢體現(xiàn)在導(dǎo)通電阻小、寄生參數(shù)小等天然特性，且更多國內(nèi)外廠商加速入局，勢必進(jìn)一步拉低第三代半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本。因此，業(yè)界有一部分聲音認(rèn)為，SiC和GaN將會很快全面替代硅材料，而事實(shí)上真是這樣嗎？

在日前舉辦的EEVIA 第九屆年度中國電子 ICT 媒體論壇暨 2021 產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會上，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)程文濤在闡述功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢時(shí)表示，“在功率轉(zhuǎn)換的研究中，硅基半導(dǎo)體的物理極限已經(jīng)被探知，大概在0.4 [Ω mm2]左右徘徊，這是用于表征高壓半導(dǎo)體器件導(dǎo)通損耗的計(jì)量方式——Ron x A?？梢钥闯?，硅基半導(dǎo)體在導(dǎo)通損耗上已經(jīng)難以繼續(xù)下探，因此業(yè)界開始尋求第三代半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通損耗，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率?！?/p>

圖2 程文濤闡述第三代半導(dǎo)體發(fā)展演進(jìn)趨勢

圖3 英飛凌眼中的高壓半導(dǎo)體器件Ron x A路線圖

舉個例子，在服務(wù)器、通訊電源應(yīng)用中，業(yè)界成熟的方案設(shè)計(jì)在交流電轉(zhuǎn)換到48V（即交流電轉(zhuǎn)換到服務(wù)器主板供電）的過程中實(shí)現(xiàn)98%的效率已經(jīng)屬于“基本操作”。不過，硅基半導(dǎo)體方案必須使用元件較多、較復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；若想進(jìn)一步提升效率、減少元件數(shù)量、降低BOM成本，目前業(yè)界比較熱門的做法是圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是基于第三代半導(dǎo)體的圖騰柱PFC，其使用元件較少、設(shè)計(jì)簡單，且效率最高。

“從這款用于服務(wù)器、通訊電源的3kW SMPS方案可以看出，基于第三代半導(dǎo)體的CCM圖騰柱是一種簡單的拓?fù)浞桨福乙子趯?shí)現(xiàn)必須的99% PFC效率，進(jìn)而使總體效率不低于98%?！背涛臐a(bǔ)充道，“顯然，第三代半導(dǎo)體是在有限的提升空間上，再推動系統(tǒng)效率往前跨一步的關(guān)鍵因素。與此同時(shí)，由于第三代半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本下降并非一蹴而就，這也就意味著Si、SiC和GaN將長期處于共存發(fā)展的態(tài)勢，而非簡單的‘第三代必須替換第一代’?！?/p>

圖4 程文濤解讀不同PFC解決方案的過程效率圖

大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用升級潛力巨大，快充僅是“投石問路”

誠然，從性價(jià)比的角度來看，硅基功率半導(dǎo)體仍然是在非常寬的應(yīng)用范圍之內(nèi)的不二之選。不過，隨著“碳達(dá)峰、碳中和”概念的全球推行，業(yè)界開始轉(zhuǎn)向電力全產(chǎn)業(yè)鏈的能效提升，包括發(fā)電、輸電、儲能以及用電等各個環(huán)節(jié)，有望通過使用第三代半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)更低的碳排放。事實(shí)上，英飛凌是唯一一家在電力全產(chǎn)業(yè)鏈上提供能效解決方案的半導(dǎo)體公司。通過英飛凌的產(chǎn)品和解決方案，為社會帶來的CO2減排量達(dá)到5600萬噸/年。

據(jù)程文濤介紹，英飛凌對于不同的半導(dǎo)體材料有著清晰的應(yīng)用定位。Si是各向同性的材料，從低功率到高功率都適用，是當(dāng)下最主流的功率半導(dǎo)體材料。SiC適用于高功率、中高開關(guān)頻率的應(yīng)用，如光電、風(fēng)電、電動汽車、充電樁、儲能系統(tǒng)等。GaN則偏向于中功率、最高開關(guān)頻率的應(yīng)用，如服務(wù)器、電信、適配器和充電器等。

圖5 英飛凌對于不同半導(dǎo)體材料的應(yīng)用定位

活動現(xiàn)場上，英飛凌還展示了幾款面向上述行業(yè)應(yīng)用的大功率電源評估板，如基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板，其突破性地實(shí)現(xiàn)了99%的系統(tǒng)效率以及72W/in3的超高功率密度，可用于儲能系統(tǒng)的雙向充/放電設(shè)計(jì)；還有基于CoolGaNTM 的3.6kW LLC電路評估板，其功率密度達(dá)到160W/in3，LLC的諧振頻率達(dá)到350KHz，且在如此高工作頻率下效率仍超過98%，可用于5G通信電源的設(shè)計(jì)等。

圖6 基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板

“相關(guān)數(shù)據(jù)表明，若美國的所有數(shù)據(jù)中心都使用英飛凌CoolGaN? 產(chǎn)品，那么每年有望節(jié)省40億度電、減排CO2達(dá)到200萬噸?！俺涛臐a(bǔ)充道，”這是巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和碳減排價(jià)值，但由于行業(yè)對于SiC、GaN的使用規(guī)模還是相對比較小、相關(guān)可靠性的驗(yàn)證仍然不充分，因此業(yè)界對于替換升級還普遍持有謹(jǐn)慎的態(tài)度?！霸谶@樣的背景下，由于GaN生產(chǎn)工藝相對成熟，基于GaN的快充技術(shù)在近兩年飛速發(fā)展，不僅為消費(fèi)者帶來了體積更小、功率更高的充電器產(chǎn)品，另一方面也成為了業(yè)界驗(yàn)證GaN失效模式、變化規(guī)律的“磨刀石“。

程文濤指出，”GaN制造工藝看似簡單、但掌握起來非常困難。例如我們可以采取過度設(shè)計(jì)的方式，將GaN器件的使用壽命定在50年。但是，一個終端產(chǎn)品使用50年是不現(xiàn)實(shí)的，因此我們必須充分了解GaN的瓶頸在哪，像晶體結(jié)構(gòu)大概多久會壞、什么條件下會壞、壞了會影響多少性能等等，這樣才能在設(shè)計(jì)和制造上打造滿足市場需求的產(chǎn)品！快充應(yīng)用是GaN的‘磨刀石’，它對可靠性、使用壽命等要求沒那么高，英飛凌也推出了專用于快充的CoolGaNTM IPS系列，幫助更好地驗(yàn)證自身的GaN技術(shù)，再運(yùn)用到更高功率、更高可靠性要求的行業(yè)應(yīng)用上。“

價(jià)格穩(wěn)步下降，英飛凌布局電力全產(chǎn)業(yè)鏈搶占先機(jī)

目前，SiC和GaN在2021年的價(jià)格相似，但都明顯高于Si。由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)、缺陷密度和產(chǎn)量提高，以及向新一代的技術(shù)升級，第三代半導(dǎo)體的價(jià)格有望在未來幾年迅速下降，但從成本角度來看，短時(shí)間內(nèi)并不會達(dá)到硅基半導(dǎo)體的水平。“值得注意的是，市面上也可能看到一些定價(jià)接近硅基半導(dǎo)體的第三代半導(dǎo)體器件，但并不意味著它的成本就接近硅基半導(dǎo)體，這是為了催生市場的商業(yè)行為。在可預(yù)見的將來，硅基半導(dǎo)體仍然會占據(jù)大部分市場?！俺涛臐赋觥?/p>

圖7 第三代半導(dǎo)體的價(jià)格有望迅速降低

在英飛凌看來，第三代半導(dǎo)體器件的價(jià)值來自于性能提升和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，且隨著價(jià)格下降，某些設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本將接近硅基半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)。作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域排名第一的廠商，英飛凌擁有廣博的功率產(chǎn)品組合，涵蓋了所有功率和頻率范圍，包括MOSFET、SiC MOSFET、SiC模塊、GaN HEMT、IGBT模塊以及單管IGBT等，廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、能源傳輸和配送、能源儲存、能源使用等領(lǐng)域，助力電力全產(chǎn)業(yè)鏈能效提升。