第三代半導(dǎo)體開辟碳中和新賽道

特斯拉在Model3使用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的碳化硅MOSFET，開啟了碳化硅上車之路。碳化硅 MOSFET模組使特斯拉的逆變器效率從Model S的82%提升至Model 3的90%。

 

比亞迪旗艦車型“漢”搭載了高性能碳化硅MOSFET電機(jī)控制模塊，助力其0到100km/h加速僅需3.9秒。比亞迪預(yù)計(jì)2023年將采用碳化硅半導(dǎo)體全面替代IGBT半導(dǎo)體，整車?yán)m(xù)航性能將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10%。

 

隨著綠色低碳戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，提升能源利用效率和能源轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)成為各行各業(yè)的共識(shí)。以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體（第三代半導(dǎo)體）成為市場聚焦的新賽道。“寬禁帶半導(dǎo)體具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能。以效率優(yōu)勢帶來節(jié)能優(yōu)勢，是寬禁帶半導(dǎo)體貢獻(xiàn)碳中和的著力點(diǎn)。”蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司董事總經(jīng)理任勉向《中國電子報(bào)》記者表示。

 

第三代半導(dǎo)體將大幅降低能源損耗

 

“基于動(dòng)態(tài)參數(shù)小、效率高、損耗小、發(fā)熱小等優(yōu)勢，寬禁帶半導(dǎo)體對于節(jié)能減排做出了積極貢獻(xiàn)，將對碳中和起到重要的推進(jìn)作用。”安森美半導(dǎo)體電源方案部市場營銷經(jīng)理袁光明向《中國電子報(bào)》記者指出。

 

具體來看，寬禁帶半導(dǎo)體切合了電力電子、光電子和微波射頻等領(lǐng)域的節(jié)能需求。在電力電子領(lǐng)域，碳化硅功率器件相比硅器件可降低50%以上的能源損耗，減少75%以上的設(shè)備裝置，有效提升能源轉(zhuǎn)換率。在光電子領(lǐng)域，氮化鎵具有光電轉(zhuǎn)換效率高、散熱能力好的優(yōu)勢，適合制造低能耗、大功率的照明器件。在射頻領(lǐng)域，氮化鎵射頻器件具有效率高、功率密度高、帶寬大的優(yōu)勢，帶來高效、節(jié)能、更小體積的設(shè)備。

 

寬禁帶半導(dǎo)體低功耗、高效能的特點(diǎn)，吸引了國內(nèi)外技術(shù)提供商和下游應(yīng)用企業(yè)紛紛布局。在上游供應(yīng)側(cè)，Cree、英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美、羅姆等國際企業(yè)，比亞迪、三安光電、華潤微、泰科天潤、基本半導(dǎo)體、蘇州能訊等國內(nèi)企業(yè)，為市場輸送基于碳化硅、氮化鎵的二極管、晶體管和功率模塊，并應(yīng)用于控制、驅(qū)動(dòng)、電池等各種電力系統(tǒng)中。

 

在下游產(chǎn)品側(cè)，寬禁帶半導(dǎo)體已經(jīng)能被消費(fèi)者清晰感知。2018年，特斯拉在Model3使用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的碳化硅MOSFET，開啟了碳化硅上車之路。SiC MOSFET模組使特斯拉的逆變器效率從Model S的82%提升至Model 3的90%，并降低了傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了續(xù)航能力的提升。

 

2020年2月，小米發(fā)布一款65W氮化鎵充電器產(chǎn)品，能夠?yàn)閠ype-C接口的PC和手機(jī)充電。該充電器上線即售罄，預(yù)約人數(shù)一度超過10萬，引爆了氮化鎵在消費(fèi)市場的普及之路。

 

寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用開始大規(guī)模落地

 

碳中和引發(fā)的電力系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革，既促進(jìn)了新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也對數(shù)據(jù)中心等高耗能場景提出了更高的能效指標(biāo)，并推動(dòng)了軌道交通等傳統(tǒng)領(lǐng)域的智能化轉(zhuǎn)型。這些新趨勢都將為寬禁帶半導(dǎo)體開辟可觀的增量市場。

 

“碳中和涉及的發(fā)電、輸變電、用電環(huán)節(jié)都有寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展空間，重點(diǎn)領(lǐng)域包括電動(dòng)汽車、充電樁、光伏和風(fēng)電轉(zhuǎn)換，以及電子產(chǎn)品充電器等。”西安電子科技大學(xué)研究員郭輝向《中國電子報(bào)》記者表示。

 

減少汽車行業(yè)碳排放是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要一環(huán)，減碳效果明顯的新能源汽車將迎來更廣闊的應(yīng)用空間。碳化硅能夠?yàn)樾履茉雌囂峁┠茉崔D(zhuǎn)換率更高、體積更小、重量更輕的電機(jī)控制器，從而降低整車重量并降低能耗。

 

在特斯拉首開先河之后，越來越多的車企在電動(dòng)車型搭載或計(jì)劃搭載碳化硅模塊。比亞迪旗艦車型“漢”搭載了高性能碳化硅MOSFET電機(jī)控制模塊，使其0到100km/h加速僅需3.9秒。比亞迪預(yù)計(jì)2023年將采用碳化硅半導(dǎo)體全面替代IGBT半導(dǎo)體，整車?yán)m(xù)航性能將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升10%。通用汽車將在下一代電動(dòng)汽車使用碳化硅，并將其視為電力電子設(shè)計(jì)的重要材料。韓國現(xiàn)代企業(yè)計(jì)劃在2022年推出的電動(dòng)汽車上使用公司內(nèi)部開發(fā)的碳化硅芯片。市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole預(yù)計(jì)，到2025年，新能源汽車和充電樁領(lǐng)域的碳化硅市場規(guī)模將達(dá)到17.78億美元，約占碳化硅總市場規(guī)模的七成。

 

軌道交通正在從機(jī)械拉閘式控制走向數(shù)字化控制，碳化硅能為軌道交通提供更加穩(wěn)定可控的電子核心器件。碳化硅功率器件已經(jīng)在軌道交通的牽引逆變器中獲得了應(yīng)用和驗(yàn)證，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

 

大數(shù)據(jù)、云服務(wù)、人工智能的出現(xiàn)，推動(dòng)全球數(shù)據(jù)中心的處理能力不斷增長，服務(wù)器部署數(shù)量隨之攀升。據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)，2020年全球服務(wù)器出貨量達(dá)到1220萬臺(tái)?；诘壍姆?wù)器電源，能更高效地助力數(shù)據(jù)中心的節(jié)能目標(biāo)。一方面，氮化鎵能夠降低服務(wù)器電源的功耗和熱耗。另一方面，氮化鎵器件的生產(chǎn)相比硅器件所需的零件更少，能夠減少生產(chǎn)零件所需的碳排放。納微半導(dǎo)體提供的數(shù)據(jù)顯示，利用氮化鎵每年可以為全球數(shù)據(jù)中心節(jié)約19億美元左右的電費(fèi)。

 

在貼近消費(fèi)者的用電環(huán)節(jié)，氮化鎵也有用武之地。目前，小米、蘋果、三星、OPPO、魅族等手機(jī)廠商都推出了氮化鎵快充，在縮小充電器體積的同時(shí)，為消費(fèi)者提供更加快速、高效的充電體驗(yàn)。同時(shí)，在太陽能場景中，基于氮化鎵的太陽能逆變器可以實(shí)現(xiàn)更小的體積，甚至被消費(fèi)者放在家里，讓消費(fèi)者得到更清潔、便宜的電力，這對于實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)很有助益。

 

技術(shù)和產(chǎn)品成熟度仍有巨大提升空間

 

雖然寬禁帶半導(dǎo)體在節(jié)能減排上的應(yīng)用前景已經(jīng)受到產(chǎn)業(yè)界的認(rèn)可，但要真正在“雙碳”戰(zhàn)略中發(fā)揮作用，還需要在技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)品成熟度上繼續(xù)提升。

 

“寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)、加深在提高效率指標(biāo)方面的開發(fā)，在減小有效體積的同時(shí)，提高散熱能力。在產(chǎn)品成熟度以及制造成熟度方面，仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。”任勉表示。

 

“更有效地助力碳中和，需要優(yōu)化能效、減少能耗。碳化硅應(yīng)進(jìn)一步降低正向壓降以降低損耗。氮化鎵需要提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。”袁光明指出。

 

具體而言，電壓和頻率是寬禁帶半導(dǎo)體性能提升和應(yīng)用拓展的關(guān)鍵。以氮化鎵為例，電壓上限的提升，將拓展氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域。而頻率上限的提升，將加速氮化鎵產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化步伐。

 

“未來電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的電壓將從目前的400V提升到800V，氮化鎵器件的電壓從650V升到1200V，就能夠應(yīng)對電動(dòng)汽車的需求。同時(shí)，氮化鎵頻率上限的提升將推動(dòng)電源形態(tài)的變化，使氮化鎵電源的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化成為可能，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的提升和成本的降低，為氮化鎵的發(fā)展帶來更多可能。”納微半導(dǎo)體高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成向記者指出。

 

在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作方面，氮化鎵器件的性能上探需要與控制器等廠商緊密合作。黃秀成指出，氮化鎵的開關(guān)頻率已經(jīng)做到1MHz~2MHz，但是控制器的指標(biāo)迭代還沒有完成，納微也在通過與相關(guān)廠商的緊密合作助力控制器向高頻方向發(fā)展，帶來更精致、高效的氮化鎵電源解決方案。