汽车、5G电源和光伏是SiC发展的主要驱动力,模块化是其主要发展趋势

作者:电工吧 日期:2020-09-06 08:36:20 人气: 栏目:市场动态
这几年来,碳化硅(SiC)市场正处在快速增长中,据市场调研机构预计,到2022年SiC的市场规模将达到10亿美元。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、高频开关电源领域等都有SiC器件的用武之地。

汽车、5G电源和光伏是SiC发展的主要驱动力,模块化是其主要发展趋势(图1)

 
安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民(Raymond Wang)看来,由于SiC与硅比较,具有高场强、高能隙,以及高电子迁移率和热导率等特性,更加适合新能源、汽车,以及通信等领域的应用,未来SiC市场容量将会每年都有大幅度增长。而主要驱动力将来自汽车、5G和光伏。  

汽车、5G电源和光伏是SiC发展的主要驱动力,模块化是其主要发展趋势(图2)


图:安森美半导体电源方案部产品市场经理王利民(Raymond Wang)。 正是看到了这个趋势,王利民表示,安森美在未来几年将会主要侧重于以下几个重点市场。
 
首先是汽车领域,包含两大方面,一是主驱,即主驱逆变器(Traction Inverter),以及车载充电器(OBC)和DC-DC。二是电动汽车充电桩。根据目前的国家策略,至2020年电动汽车充电桩的部署要达到非常大的数量。此外,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。
 
二是可再生能源并非新市场
,且该市场在短期内一直会是整个市场的主方向及趋势。绿色、可再生能源一直处于快速增长中,有300多GW的安装能量。高压高频率器件在太阳能逆变器里都有非常大的市场空间。
 
三是5G通信电源领域,我国世界领先的5G以及在预研的6G,在这类领先的通信电源场合,5G的电源对于高效率的需求也是巨大的。
 
“安森美半导体碳化硅战略会侧重在电动汽车、电动汽车充电桩、可再生能源、新能源以及5G和通信电源等电源设备上。”王利民总结说。

SiC在汽车中的应用

具体来说,SiC在汽车中的应用包括在电动汽车和混动汽车上的应用。王利民预计电动汽车会是未来SiC的主要驱动力之一,占整个SiC总体市场容量的60%。

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由于SiC每年可以增加多达750美元的电池续航能力,整车厂商有意愿采用SiC器件。碳化硅器件应用于主驱,OBC、DC-DC,可大幅度提高效率,因此能给电动汽车增加续航能力,有一些电动汽车从不可以销售变成可以销售,售价也大幅度地增长,因为续航里程和售价是成正比的。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碳化硅做主驱为方向。
 
在OBC和DC-DC领域,绝大部分厂家是使用碳化硅器件作为高效、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。

SiC在5G电源和开关电源中的应用

SiC第二个用量比较大的市场是5G电源和开关电源(SMPS)领域。传统的开关电源领域在Boost及高压电源,对功率密度一直有着持之以恒的追求,从最早通信电源的金标、银标,到现在5G通信电源,云数据中心电源,这些都对于高能效有非常高的要求。

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碳化硅器件没有反向恢复,使得电源能效非常高,可达到98%的能效。电源和5G电源是碳化硅器件最传统,也是目前相对较大的一个市场。

SiC在电动汽车充电器/桩上的应用

电动汽车在发展,与之配套的电动汽车充电桩必然也会大量部署,特别是今年,中国还将充电桩加入了“新基建”项目内,给充电桩市场注入了一支强心剂。

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当然,充电桩实现的方案有很多种,现在消费者最感兴趣的就是直流快充。直流快充的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率,这些都需要通过高电压来实现。在电动汽车充电桩的应用里,碳化硅无论是在Boost,还是输出的二极管,目前有很多使用主开关的碳化硅MOSFET电动汽车充电桩方案,其应用前景非常广阔。

SiC在太阳能逆变器中的应用

作为传统的新兴市场,在太阳能逆变器领域,碳化硅二极管的使用量也非常巨大,每年太阳能逆变器的安装量也持续增长,预计未来10-15年将会有15%的能源(目前是1%)来自太阳能。

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太阳能是免费的,且取之不竭用之不尽。国内已出台相关政策,个人可把太阳能电力卖回给国家电网。
 
碳化硅半导体可应用于太阳能逆变器的Boost,并且随着现在太阳能逆变器成本的优化,已经能看到不少厂家会使用碳化硅的MOSFET作为主逆变的器件,来替换原来的三电平(逆变器)控制复杂电路
 
政策驱动方面,欧盟有20-20-20目标,即到2020年,能效提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源要达到20%。NEA也设定了清洁能源目标,到2030年要满足中国20%的能源需求。

满足车规级的SiC产品

据王利民介绍,安森美半导体曾经是JEDEC可靠性委员会的成员,在宽禁带可靠性标准委员会现已并入JEDEC标准委员会后,安森美半导体成为了可靠性标准委员会的专家之一。因此,安森美在碳化硅器件的可靠性方面具有很大的优势,在H3TRB测试(高温度/湿度/高偏置电压)里,“安森美半导体的碳化硅二极管可以通过1000小时的可靠性测试。实际测试中,我们会延长到2000小时,大幅领先于市场的可靠性水平。”他指出。

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除了可靠性,王利民表示,安森美的碳化硅器件也具有很高的性价比。他举例说,同样的电源,如果替换成碳化硅方案,其体积、功率密度以及整体BOM成本都会得到优化。“例如,对于十几千瓦的升压或PFC或Boost方案,使用我们的碳化硅MOSFET的方案,不仅效率会大幅度提高,而且总的方案成本也会比IGBT方案低,这里并不涉及具体IGBT厂商。”

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在王利民看来,汽车领域将会成为碳化硅最大的市场之一。安森美半导体提供整套方案,包括单管方案、模块方案,以及各种电动车和混动车的车载充电器方案,并可提供整套电路图纸、BOM以及实际的实物。

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安森美在碳化硅产品布局方面也比较早,目前可以提供碳化硅二极管和MOSFET产品。王利民表示,“在1200V的碳化硅二极管产品中,我们有非常多电压、电流和封装选择,还有晶圆可供选择。我们的650V第1.5代具备世界领先的压降效率水平。此外,我们还有1700V的高压器件。在二极管部分,我们还有650V第1.0代。”
 
他还强调说,安森美半导体的碳化硅器件全都满足汽车规范,包括模块。
 
在介绍碳化硅二极管时,他特意强调了安森美碳化硅二极管的两个特性:浪涌能力和雪崩。
 
因为碳化硅二极管有一个痛点,那就是他需要非常大的冲击电流,因为它的应用不管是在boost还是PFC都是需要扛住浪涌电流。“针对这一点,安森美半导体为工程师和设计专家提供了一处非常贴心的设计。以1200V 15A的碳化硅二极管为例,在毫秒级安森美半导体的碳化硅二极管有10倍的过滤,在微秒级有50倍的过滤。”王利民指出。
 
另外,由于针对电动车主驱或者马达驱动的应用里对碳化硅二极管有雪崩的要求,因此,安森美半导体特意推出了具有雪崩功能的碳化硅二极管。
 
此外,在碳化硅MOSFET方面,安森美的MOSFET几乎涵盖了市面上所有主流的碳化硅MOSFET,包括20mΩ、40mΩ、80mΩ、160mΩ,TO247封装,TO247的4条腿以及D2PARK的7条腿封装,并且所有的产品都提供工业规范和汽车规范。其900V的碳化硅MOSFET包含了20mΩ、60mΩ等市面上主流的规格。

总结

谈到碳化硅器件的发展趋势,王利民认为,整个碳化硅市场一直都会是分立器件和模块两者共有的市场。但未来发展来看,模块是碳化硅器件的一个重要发展方向。模块的设计主要集中在比较大的功率方面,比如几十千瓦或几百千瓦级别的车载逆变器。

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