從智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng),到家電、工廠和汽車,電力電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了我們生活的一部分。隨著云計(jì)算、工業(yè)4.0,以及電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的發(fā)展,電力電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)的革命正在全面展開,人們除了關(guān)注電力電子產(chǎn)品的安全性和可靠性之外,也開始關(guān)注效率、性能和尺寸問題了,這讓人們開始認(rèn)識(shí)到我們需要對(duì)現(xiàn)在能源的產(chǎn)生、分配和管理模式做一些改變了。
特別是近幾年來,在電動(dòng)汽車的推動(dòng)下,SiC功率器件的需求猛增。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì),2017年SiC功率器件業(yè)務(wù)達(dá)到3.02億美元,較2016年的2.48億美元增長(zhǎng)22%。由于采用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產(chǎn)能增長(zhǎng),在汽車行業(yè)的推動(dòng)下,預(yù)計(jì)2018年會(huì)實(shí)現(xiàn)飛躍。Yole估計(jì),到2023年,SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將達(dá)到15億美元。
安森美半導(dǎo)體Technical Fellow,SiC開發(fā)領(lǐng)域負(fù)責(zé)人Thomas Neyer也透露,“今天的SiC市場(chǎng)已經(jīng)是3.5億美元的市場(chǎng)。”他預(yù)計(jì)未來五年內(nèi)會(huì)增長(zhǎng)到13億美元。
他還補(bǔ)充說,如果未來幾年成本加速下降,這一預(yù)測(cè)很容易翻番,甚至增至3倍。Thomas Neyer承認(rèn)目前GaN的使用率還比較低,市場(chǎng)規(guī)模小于5000萬美元,“但在未來5到10年,GaN將會(huì)主導(dǎo)80V~600V的中壓應(yīng)用,并有可能在該領(lǐng)域完全取代硅基MOSFET,吞食掉這一超過100億美元的市場(chǎng)蛋糕。”
圖1:安森美半導(dǎo)體Technical Fellow,碳化硅(SiC)開發(fā)領(lǐng)域負(fù)責(zé)人Thomas Neyer
GaN晶體管在20世紀(jì)90年代首次出現(xiàn),2010年宜普電源轉(zhuǎn)換公司(EPC)推出第一個(gè)器件后,宣布了GaN開始了的正式商業(yè)化應(yīng)用之路。SiC二極管自2001年推出,到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了所有高性能電源、可再生能源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。
基于SiC的功率半導(dǎo)體用于600V~10kV應(yīng)用。大多數(shù)SiC應(yīng)用是在600V到1700V,但當(dāng)電壓達(dá)到3.3kV~10kV時(shí),它他仍然非常適合,例如風(fēng)力發(fā)電和小型電網(wǎng)。而GaN適用于30V~600V的中壓電源應(yīng)用。因此,GaN和SiC其實(shí)是互補(bǔ)的技術(shù),而非相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)。
最近幾年GaN的應(yīng)用開始逐漸增多,比如近幾年興起的汽車用激光雷達(dá)(LiDAR)有很多就是采用了GaN器件來做高頻開關(guān)的;在電動(dòng)汽車市場(chǎng),EPC和Transphorm的GaN器件已經(jīng)取得了車規(guī)認(rèn)證,為汽車領(lǐng)域使用GaN器件做好了準(zhǔn)備;在消費(fèi)電子領(lǐng)域,據(jù)悉蘋果公司對(duì)基于GaN技術(shù)的無線充電解決方案充滿了興趣,Navitas和Exagan今年已推出一款集成了GaN解決方案的45 W快速充電電源適配器。
GaN Systems公司CEO Jim Witham在接受采訪時(shí)表示,電力電子技術(shù)正在蓬勃發(fā)展,GaN可作為數(shù)據(jù)中心、汽車、可再生能源、工業(yè)和消費(fèi)電子等解決方案的基石技術(shù)。這是因?yàn)镚aN與硅基功率器件相比有很明顯的優(yōu)勢(shì)。
圖2:GaN Systems公司CEO Jim Witham
GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn),可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。
ADI在一篇技術(shù)文章中談到,從工程角度來看,SiC和GaN具有的優(yōu)勢(shì)主要有下面4個(gè):
首先,寬禁帶半導(dǎo)體具有卓越的dV/dt切換性能,這意味著開關(guān)損耗非常小。這使得高開關(guān)頻率(SiC為50 kHz至500 kHz,GaN為1 MHz以上)成為可能,結(jié)果有助于減小磁體體積,同時(shí)提升功率密度。
二是,電感值、尺寸和重量能減少70%以上,同時(shí)還能減少電容數(shù)量,使最終轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量?jī)H相當(dāng)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的五分之一。
三是無源元件和機(jī)械部件(包括散熱器)的用量可節(jié)省約40%,增值部分則體現(xiàn)在控制電子IC上。
四是寬禁帶半導(dǎo)體對(duì)高結(jié)溫具有超高的耐受性,這種耐受性有助于提升功率密度,減少散熱問題。
現(xiàn)代電子技術(shù)偏愛高壓,轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體的高壓系統(tǒng),是因?yàn)椋菏紫龋邏阂馕吨?u>電流,這也意味著系統(tǒng)所用的銅總量會(huì)減少,結(jié)果會(huì)直接影響到系統(tǒng)成本的降低;其次,寬禁帶技術(shù)(通過高壓實(shí)現(xiàn))的阻性損耗減少,結(jié)果意味著更高的效率,還能減小冷卻系統(tǒng)的尺寸,降低其必要性;最后,在子系統(tǒng)層次,它們使工程師可以從基于基板功率模塊的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向分立式設(shè)計(jì)或基于功率模塊的輕型設(shè)計(jì)。這也就是說要采用兼容型PCB和較小的電線,而不是采用匯流條和較重的電線。
在Jim Witham看來,目前最適合寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的市場(chǎng)有數(shù)據(jù)中心、汽車、可再生能源等行業(yè)。“數(shù)據(jù)中心、汽車和可再生能源之前是三個(gè)非常獨(dú)立的市場(chǎng),而現(xiàn)在發(fā)生了巨大的變化,它們開始變得相互關(guān)聯(lián)了。它們現(xiàn)在都非常關(guān)注效率問題。”
在數(shù)據(jù)中心方面,現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心消耗的電量占全球總用電量的2%,Jim Witham認(rèn)為未來可能會(huì)到5%,甚至更多。“GaN技術(shù)可以發(fā)揮重要作用,通過在服務(wù)器機(jī)架中使用更高效和更小的電源,可以在同一機(jī)架空間中,使用更多的服務(wù)器,這就意味著該數(shù)據(jù)中心可以獲得更多的收入。”
當(dāng)然,數(shù)據(jù)中心除了關(guān)注輕量級(jí)和小尺寸外,更為關(guān)注的其實(shí)是能源效率問題,因?yàn)樵跀?shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本里,有40%是電力成本。降低能源消耗,可以節(jié)省一大筆成本。Jim Witham表示,“微軟在過去5年,數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長(zhǎng)了5倍,預(yù)計(jì)未來5年內(nèi),數(shù)據(jù)中心的規(guī)模會(huì)增長(zhǎng)5到10倍。”
現(xiàn)在,數(shù)據(jù)中心開始與汽車行業(yè)聯(lián)系起來了,汽車公司也預(yù)測(cè)其數(shù)據(jù)中心將增長(zhǎng)10倍。因?yàn)樽詣?dòng)駕駛會(huì)收集大量數(shù)據(jù),并將一部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到云端,然后對(duì)其進(jìn)行分析,并通過AI和機(jī)器學(xué)習(xí)后,在返回給汽車,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的目標(biāo)。
意法半導(dǎo)體總裁兼CEO Jean-Marc Chery也看到了寬禁帶半導(dǎo)體的市場(chǎng)前景。他在參加ASPENCORE舉辦的“全球雙峰會(huì)”的主題演講中就提到,ST在積極推進(jìn)SiC器件的產(chǎn)業(yè)化,他認(rèn)為SiC器件是賦能電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。
電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛是驅(qū)動(dòng)汽車市場(chǎng)向前發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)因素。在汽車當(dāng)中有三大應(yīng)用是與電源相關(guān)的,即充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。在這三大用途中,牽引逆變器是目前為止可以從GaN和SiC技術(shù)中受益最多的。因?yàn)槭褂肎aN和SiC器件后,可以減輕汽車的重量,提高能效,讓電動(dòng)汽車能夠行駛更遠(yuǎn)距離,同時(shí)可以使用更小的電池和冷卻系統(tǒng)。
在自動(dòng)駕駛中,由于汽車中需要安裝很多傳感器,而GaN可以幫助LiDAR改善傳感器的性能,還有車內(nèi)為手機(jī)和電腦充電的無線充電,也是GaN的用武之地。
Thomas Neyer也認(rèn)為,從2020年起,寬禁帶器件將主導(dǎo)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵應(yīng)用,包括充電基礎(chǔ)設(shè)施、車載充電器、牽引逆變器和車載DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外,服務(wù)器電源和5G基礎(chǔ)設(shè)施可在高壓直流(HVDC)輸電類型的拓?fù)渲惺褂脤捊麕骷?/p>
雖然GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體正在快速增長(zhǎng)中,但其實(shí)它們的發(fā)展還是面臨著許多挑戰(zhàn)的。
首先是所有新技術(shù)在推廣初期都會(huì)遇到的成本問題。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì),目前SiC MOSFET器件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上。這主要是由于下游應(yīng)用目前大多處在研發(fā)階段,還沒有形成批量產(chǎn)業(yè)化,尤其是在國(guó)內(nèi)。孫克博士在9月份的“2018年國(guó)際泛半導(dǎo)體投資論壇”上表示,“從整個(gè)國(guó)際半導(dǎo)體市場(chǎng)來看,我們判斷寬禁帶半導(dǎo)體基本上處在爆發(fā)式增長(zhǎng)的前期。”
安森美的Thomas Neyer對(duì)成本沒那么在意,他認(rèn)為寬禁帶半導(dǎo)體目前遇到的最大挑戰(zhàn)在于為了充分利用SiC器件的功率和性能,必須對(duì)封裝進(jìn)行顯著改進(jìn)。因?yàn)镾iC器件的尺寸要小得多,因此,必須優(yōu)化分立封裝和模塊的熱性能,為此需要改進(jìn)粘晶材料(die attach materials)和方法,這需要直接散熱和/或雙面散熱的方案。提高開關(guān)速度需要盡可能降低寄生電感,高電流密度需要覆晶(flip-chip)和非引線鍵合(non-wire bonded)方案。
他同時(shí)強(qiáng)調(diào),真正的挑戰(zhàn)是為市場(chǎng)提供強(qiáng)固和高性能的器件,實(shí)現(xiàn)與硅電源半導(dǎo)體相當(dāng)或優(yōu)于硅電源半導(dǎo)體的穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行。而這需要深入的專知和了解SiC故障模式。
在孫克博士看來,最大的挑戰(zhàn)來自材料的制備,“做芯片、做模塊可以借鑒硅的技術(shù),但是材料的制備難度非常大,碳化硅的制備和硅的制備不同,這是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展很核心的障礙。要先解決材料問題,降低材料成本,然后再提高材料的一致性。”
當(dāng)前市場(chǎng)上,大約有15家SiC二極管制造商和約5家SiC MOSFET制造商,還有一些公司致力于SiC JFET、SiC BJT或SiC IC技術(shù)?,F(xiàn)階段對(duì)于更多供應(yīng)商還有足夠的發(fā)展空間。
目前ROHM,英飛凌、美高森美(Microsemi) 、安森美等公司都在投入SiC的研發(fā)和產(chǎn)品量產(chǎn)。
安森美半導(dǎo)體已確定SiC技術(shù)為下一代電源管理器件技術(shù)的核心戰(zhàn)略,并相應(yīng)地大量投資于制造基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)專長(zhǎng)。“因此,我們提供不同尺寸和封裝的600 V至1700 V SiC二極管和900 V至1200 V SiC MOSFET,并積極致力于擴(kuò)增產(chǎn)品陣容,雖然這其中一些技術(shù)要在未來2至3個(gè)季度才投放到市場(chǎng),但安森美半導(dǎo)體已看到這些技術(shù)對(duì)所有工業(yè)和汽車高功率市場(chǎng)有很大的吸引力。” Thomas Neyer對(duì)《電子工程專輯》表示。
Jean-Marc Chery表示,“SiC器件是賦能電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù),我們的SiC器件已經(jīng)量產(chǎn), 我們是SiC唯一供應(yīng)商,同時(shí)我們和行業(yè)領(lǐng)先汽車保持合作,我們有30多個(gè)SiC項(xiàng)目在汽車上被廣泛采用。”他透露,“今年我們?cè)赟iC市場(chǎng)會(huì)占據(jù)90%份額,這個(gè)市場(chǎng)到2020年會(huì)有6億美元規(guī)模。到2025年會(huì)有30億美元規(guī)模而我們會(huì)占據(jù)30%市場(chǎng)份額。”
英飛凌在11月13日宣布以1.24億歐元的價(jià)格收購德國(guó)初創(chuàng)公司Siltectra,將“冷切割”(Cold Spilt)這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)收入囊中。這是一種高效的晶體材料加工工藝,能夠?qū)⒉牧蠐p失降到最低。英飛凌將會(huì)把這項(xiàng)技術(shù)用到SiC晶圓切割上,從而讓單片晶圓可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番。
英飛凌 CEO Reinhard Ploss 博士表示:“此次收購有助于我們利用 SiC 新材料,并拓展我司優(yōu)秀的產(chǎn)品組合。我們對(duì)薄晶圓技術(shù)的系統(tǒng)理解和獨(dú)特的專業(yè)知識(shí),將與 Siltectra 的創(chuàng)新能力和冷切割技術(shù)相輔相成。”
Ploss還希望該技術(shù)有助于改善其經(jīng)濟(jì)和資源使用,特別當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)。
一直致力于硅基GaN的研究的MACOM也在今年2月份宣布了與ST的一份硅基GaN合作開發(fā)協(xié)議,來增強(qiáng)GaN器件的供應(yīng)能力。MACOM預(yù)計(jì)這項(xiàng)協(xié)議在擴(kuò)大MACOM供應(yīng)來源的同時(shí),還將促進(jìn)擴(kuò)大規(guī)模、提高產(chǎn)能和成本結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而加速硅基氮化鎵技術(shù)在大眾市場(chǎng)的普及。
總之,電力電子產(chǎn)品正在蓬勃發(fā)展,從智能手機(jī)、汽車、數(shù)據(jù)中心、到可再生能源系統(tǒng),電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了我們生活中越來越大的一部分,而寬禁帶半導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)這一切的過程中將發(fā)揮重要作用。相信未來幾年將會(huì)是寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的“春天”。