半導(dǎo)體技術(shù)賦能綠色未來

目前，隨著全球氣候變化問題越趨嚴(yán)重，包括全球升溫導(dǎo)致的冰川融合以及物種滅絕等，而造成這些問題最主要的原因就是碳的排放。這些環(huán)境問題的解決已經(jīng)刻不容緩，因此，全球許多國(guó)家都提出了他們各自的碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，即所謂的雙碳目標(biāo)。我國(guó)設(shè)立的雙碳目標(biāo)為：2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和。

而實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)最重要的就是能源的轉(zhuǎn)換，即從傳統(tǒng)的石油、煤炭等化石能源，向新能源轉(zhuǎn)換，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等。而這樣的轉(zhuǎn)型即帶來了很多機(jī)遇也同時(shí)存在著很多挑戰(zhàn)。

ADI中國(guó)區(qū)工業(yè)市場(chǎng)總監(jiān)蔡振宇在2024第四屆國(guó)際綠色能源生態(tài)發(fā)展峰會(huì)上表示：“根據(jù)全球能源機(jī)構(gòu)做的一個(gè)調(diào)研，2023年我們?cè)谛履茉崔D(zhuǎn)型上所花費(fèi)資金大約為17,000億美金，到2030年這一數(shù)字會(huì)接近5萬億美金。2023年，中國(guó)在新能源方面的投入就達(dá)7600億美金，占全球38%的比例，可以說是遙遙領(lǐng)先了?！?/p>

而在新能源轉(zhuǎn)型過程中，半導(dǎo)體技術(shù)則扮演了一個(gè)較為重要的角色，尤其是第三代半導(dǎo)體材料制成的功率器件（如SiC和GaN）則尤為重要。意法半導(dǎo)體亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品器件部市場(chǎng)和應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI表示：“SiC器件因?yàn)槠渚哂械闹T多優(yōu)勢(shì)，如高電壓、更快的開關(guān)速度等，讓它被越來越多的領(lǐng)域采用，它對(duì)于實(shí)現(xiàn)能源效率至關(guān)重要?！?/p>

ST在SiC MOSFET領(lǐng)域布局多年，并具有許多獨(dú)特的技術(shù)，如MDSiC和SmartSiC等，目前已經(jīng)處于市場(chǎng)領(lǐng)先位置。目前，ST的SiC MOSFET器件在汽車和工業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)份額已經(jīng)超過50%。

作為國(guó)內(nèi)的初創(chuàng)型功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，蓉矽半導(dǎo)體副總裁、研發(fā)中心總經(jīng)理高巍也在大會(huì)上分享了他們最近的產(chǎn)品研究成果。高巍表示，“目前，中國(guó)綠色能源發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域分別為電力、工業(yè)和交通，而針對(duì)這三個(gè)領(lǐng)域，我們需要從風(fēng)光綠色能源、高效電力設(shè)備、新能源車這三個(gè)方面來解決碳排放問題，而支撐這三個(gè)方面發(fā)展的核心就是功率半導(dǎo)體器件?！?/p>

目前，風(fēng)光儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于半導(dǎo)體功率器件所需的電壓范圍為1200V-3000V，近幾年，新型的1500V儲(chǔ)能系統(tǒng)成為主流，而它對(duì)碳化硅功率器件提出了2000V的耐壓等級(jí)。目前蓉矽半導(dǎo)體已經(jīng)推出了2000V的SiC功率器件系列，主要針對(duì)的應(yīng)用就是1500V的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

另外，針對(duì)綠色交通能源部分，汽車的電動(dòng)化會(huì)是未來的一個(gè)主要趨勢(shì)，而從400V向800V平臺(tái)的過渡，也會(huì)對(duì)碳化硅功率器件的性能要求進(jìn)一步提升。針對(duì)這一趨勢(shì)需求，蓉矽半導(dǎo)體創(chuàng)新的M-MOS技術(shù)，可助力EV與EV充電樁實(shí)現(xiàn)更高效率和可靠性。

英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)高級(jí)技術(shù)總監(jiān)陳立烽表示：“未來的發(fā)展需要更多的能源，未來的發(fā)展也需要更清潔、更高效的能源，這些都是碳化硅能夠賦予的。英飛凌作為SiC功率器件領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商，已經(jīng)從事SiC技術(shù)的相關(guān)研發(fā)有二十幾年的歷史了，從SiC功率器件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及材料方面也都掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)。SiC也是英飛凌的戰(zhàn)略核心?！?/p>

從技術(shù)上而言，英飛凌的溝槽柵技術(shù)就是一項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)，另外，.XT技術(shù)則是針對(duì)SiC的封裝技術(shù)，再細(xì)分來說，它是一項(xiàng)燒結(jié)技術(shù)，它可以改善散熱，并提高可靠性；從產(chǎn)能上而言，目前全球的SiC產(chǎn)能還是不足的，隨著它應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，SiC產(chǎn)能問題在未來可能會(huì)越發(fā)突出。據(jù)陳立峰介紹，英飛凌在過去三年也在擴(kuò)大SiC產(chǎn)能上進(jìn)行了很多投資。

而安森美中國(guó)碳化硅首席專家及汽車應(yīng)用技術(shù)負(fù)責(zé)人吳桐博士認(rèn)為，目前SiC技術(shù)發(fā)展還面臨的一個(gè)痛點(diǎn)是垂直整合的能力，即從SiC襯底、外延，到SiC芯片設(shè)計(jì)與制造的整個(gè)過程的整合能力非常重要，每個(gè)環(huán)節(jié)都要有自己的Know-How和需要迭代的過程。

據(jù)吳桐介紹，安森美為了能在SiC領(lǐng)域獲得更好的發(fā)展，在每個(gè)領(lǐng)域都進(jìn)行了很多投資，如針對(duì)襯底和外延，2021年，安森美以4.15億美元收購(gòu)了碳化硅襯底材料公司GTAT；在芯片設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)，安森美的表現(xiàn)也是可圈可點(diǎn)，包括最終的封裝，安森美也會(huì)自己進(jìn)行。吳桐表示，我們是從front end to back end，這樣會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)能都有一個(gè)很大的保證。

目前，安森美也是業(yè)界唯一一家可以實(shí)現(xiàn)SiC和IGBT兩條垂直整合產(chǎn)品線的廠商。

除了SiC，GaN也是諸多廠商布局的第三代半導(dǎo)體材料。GaN和SiC是兩種互補(bǔ)第三代半導(dǎo)體材料。陳立峰表示：“在電壓相對(duì)較低的范圍，如40V-650V，GaN具有更高的頻率，而在600V以上，SiC則更為合適。對(duì)于英飛凌來說，GaN技術(shù)可以豐富我們的功率器件產(chǎn)品線?！?/p>

近幾年，英飛凌在GaN技術(shù)上也進(jìn)行了很多投資，如在去年10月以8.3億美元收購(gòu)了氮化鎵系統(tǒng)公司（GaN Systems）。也因?yàn)橛辛薌aN技術(shù)的，英飛凌延伸了從100V至2kV的第三代半導(dǎo)體各個(gè)系列。

另一廠商ST也在GaN領(lǐng)域雄心勃勃，F(xiàn)rancesco Muggeri表示：“GaN器件在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用都存在著很多優(yōu)勢(shì)，如高頻率以及高功率密度等。它也可以讓器件的尺寸大大縮小。”

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)最終能效的提高，不僅需要有更先進(jìn)的SiC和GaN器件，也需要很多其它器件和技術(shù)的輔助，如驅(qū)動(dòng)它們的門極驅(qū)動(dòng)器。博通隔離產(chǎn)品事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理陳紅雷在大會(huì)上就介紹了博通適用于SiC和GaN功率器件的隔離光耦器件。

陳紅雷表示：“光耦產(chǎn)品是比較新興的市場(chǎng)應(yīng)用，但它在未來的新能源轉(zhuǎn)型過程中，也能貢獻(xiàn)一份力，它可以應(yīng)用于發(fā)電側(cè)、消費(fèi)端、電力能源生產(chǎn)端等方面?！?/p>

他強(qiáng)調(diào)：“應(yīng)用于SiC和GaN的隔離產(chǎn)品需要具備傳輸延遲時(shí)間短，需要比較高的CMDI以及操作溫度等方面的要求。博通的新一代產(chǎn)品ACFJ-3161和ACFJ-3262就是很好適用于這些需求的產(chǎn)品，另外他們的驅(qū)動(dòng)電流也非常大，達(dá)到了10A?！?/p>

新能源轉(zhuǎn)型過程還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是儲(chǔ)能，在這其中，電池管理方案（BMS）就是很關(guān)鍵的一個(gè)應(yīng)用。ADI在這一塊擁有非常好的技術(shù)積累和產(chǎn)品組合。據(jù)蔡振宇介紹，ADI之前收購(gòu)了凌力爾特和美信兩家公司，這兩家公司很早就開始BMS產(chǎn)品的研發(fā)和迭代。另外，ADI也在2020年左右成立了中國(guó)的研發(fā)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，獨(dú)立開發(fā)出了一款新的、基于中國(guó)儲(chǔ)能應(yīng)用的BMS芯片。目前，全球有超過65GW的儲(chǔ)能都使用了ADI的BMS芯片。

除了電池管理外，ADI針對(duì)新能源應(yīng)用的技術(shù)平臺(tái)還有轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)兩塊，可以說ADI針對(duì)新能源領(lǐng)域的開發(fā)平臺(tái)是較為全面的。

Qorvo BMS專家劉明認(rèn)為：“目前，在整個(gè)BMS或電池相關(guān)的領(lǐng)域，有兩個(gè)趨勢(shì)比較重要，一是安全；二是更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。”Qorvo的電池管理IC針對(duì)當(dāng)今使用鋰離子或鋰聚合物電池的超緊湊電池供電設(shè)備，提供完全集成式可配置單芯片解決方案。這些獨(dú)特的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，包括出色的設(shè)備性能、低廉的成本和小巧的設(shè)計(jì)尺寸、先進(jìn)的電池保護(hù)和快速上市時(shí)間。

北京智芯微電子科技有限公司模擬芯片設(shè)計(jì)中心副總經(jīng)理王崢認(rèn)為：“BMIC是一個(gè)新興市場(chǎng)，但發(fā)展迅猛。據(jù)QYResearch前年的數(shù)據(jù)顯示，受益于儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，2023年-2028年，BMS市場(chǎng)將保持20%以上的增長(zhǎng)速度。”

他表示：“目前的BMIC市場(chǎng)主要由國(guó)外廠商主導(dǎo)，近幾年國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了一些不錯(cuò)的企業(yè)，但在更方面參數(shù)指標(biāo)上還跟國(guó)外廠商的產(chǎn)品有一定差距。目前，智芯的BMS方案能夠提供各種底層硬件、芯片設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)軟件算法等，可以面向各類應(yīng)用?！?/p>

雙碳目標(biāo)的設(shè)立推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)能源應(yīng)用的轉(zhuǎn)型，從而也給半導(dǎo)體器件尤其是第三代半導(dǎo)體功率器件帶來了巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。怎樣抓住這一波市場(chǎng)機(jī)遇，是國(guó)內(nèi)外公司都要思考的問題。獨(dú)特的技術(shù)、完整的方案、良好的服務(wù)缺一不可，尤其對(duì)于國(guó)內(nèi)公司而言，這是一個(gè)機(jī)遇也是一個(gè)考驗(yàn)。