助力“低碳化”與“數(shù)字化”，英飛凌如何推動寬禁帶半導體創(chuàng)新？

伴隨新能源多應用市場的蓬勃發(fā)展，第三代半導體技術對新質(zhì)生產(chǎn)力的支撐作用日益增強。以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導體已成為綠色能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動力，幫助實現(xiàn)更高的功效、更小的尺寸、更輕的重量、以及更低的總成本。作為全球功率系統(tǒng)領域的半導體領導者，英飛凌在第三代半導體如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）領域持續(xù)布局，通過技術創(chuàng)新、產(chǎn)能擴張及市場應用拓展，為光儲、智能家居、新能源汽車等低碳化趨勢下的關鍵行業(yè)提供了高性能的功率半導體解決方案，推動了行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。

近日，全球功率系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領域的半導體領導者英飛凌攜廣泛的功率及電源類半導體產(chǎn)品亮相“2024慕尼黑上海電子展”。以“低碳化和數(shù)字化推動可持續(xù)發(fā)展”為主題，全面展示了英飛凌在綠色低碳可持續(xù)技術領域的深厚積淀，以及在綠色能源與工業(yè)、智能家居、電動汽車等應用市場的創(chuàng)新解決方案。

在展會期間，英飛凌還首次舉辦“2024英飛凌寬禁帶論壇”，聚焦于第三代半導體新材料、新應用的最新發(fā)展成果，與行業(yè)伙伴共同探討寬禁帶領域的應用與發(fā)展，攜手推動低碳化和數(shù)字化的發(fā)展進程。

在9日上午的主論壇開場致辭中，英飛凌科技全球高級副總裁及大中華區(qū)總裁、英飛凌科技消費、計算與通訊業(yè)務大中華區(qū)負責人潘大偉指出，“半導體解決方案是實現(xiàn)氣候目標的關鍵，寬禁帶半導體能顯著提升能源效率，推動實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型?！痹诋斍熬G色低碳化的大背景下，以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導體作為新材料和新技術已開始廣泛應用于新能源、電動汽車、儲能、快充等多個領域。作為行業(yè)領導者，英飛凌憑借持續(xù)的技術革新與市場布局，在寬禁帶半導體領域發(fā)揮著引領作用，致力于滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對于更高能效、更環(huán)保的半導體產(chǎn)品的需求?！?/p>

潘大偉接著介紹了全球氣候變化的嚴峻形勢，指出碳排放日益增加，全球溫度不斷升高。他強調(diào)，在這樣的背景下，寬禁帶半導體材料如碳化硅和氮化鎵，因其在節(jié)能方面的優(yōu)越性能，成為解決氣候問題的重要使能技術。需要指出的是，寬禁帶半導體器件具有體積小、功耗低、高能效等特性，可以大幅提升能源使用效率，從而減少碳排放。

他進一步說明，英飛凌在全球功率系統(tǒng)領域處于領先地位，尤其是在碳化硅和氮化鎵技術上積累了豐富的經(jīng)驗。英飛凌在碳化硅領域擁有20多年的技術積累和應用經(jīng)驗，其全面的產(chǎn)品和解決方案組合廣泛應用于光伏、儲能、電機驅(qū)動、數(shù)據(jù)中心和通信電源、新能源汽車充電以及車載充電器等多個領域。潘大偉特別提到，英飛凌正在持續(xù)擴建馬來西亞居林工廠，旨在將其打造為全球最大的200毫米(8英寸)碳化硅功率半導體晶圓廠，并計劃在質(zhì)量驗證通過后的3年內(nèi)全面過渡到200毫米(8英寸) 產(chǎn)能，以滿足市場需求。

此外，英飛凌在去年成功收購了GaN Systems公司，這一收購進一步增強了其在氮化鎵領域的競爭力。兩家公司通過在技術和專利上的優(yōu)勢互補，使得英飛凌在氮化鎵的產(chǎn)品開發(fā)和應用推廣上更具優(yōu)勢。潘大偉指出，英飛凌和GaN Systems的結合，壯大了英飛凌自身的氮化鎵產(chǎn)品陣容，目前英飛凌共有超過350個氮化鎵技術專利族和450位氮化鎵技術專家，極大地增強了其在寬禁帶半導體領域的技術實力和市場競爭力。

潘大偉還提到，英飛凌未來將繼續(xù)推進低碳化的公司愿景，通過與客戶和合作伙伴的緊密合作，共同應對氣候變化的挑戰(zhàn)。英飛凌致力于通過高效的半導體技術，推動全球向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，創(chuàng)造一個更加環(huán)保和可持續(xù)的未來。

邱柏順：全球碳化硅與氮化鎵市場最新趨勢及展望

Yole Group化合物半導體資深分析師邱柏順從行業(yè)分析的角度向與會者分享了全球碳化硅與氮化鎵市場最新發(fā)展趨勢及展望。

邱柏順指出，電氣化是當前全球的一個關鍵趨勢，所有設備都需要電力驅(qū)動，而半導體在其中起到重要作用。綠能再生能源，如光伏和風電，是未來的應用方向。此外，提高系統(tǒng)能效、減小設備體積和碳排放也是重要方向。

在這些趨勢中，有幾個項目值得注意。例如，未來的系統(tǒng)需要更高的功率密度，使得系統(tǒng)變得更小但功率更大。此外，混合解決方案將光伏、儲能和充電整合在一起，實現(xiàn)更高集成度。智能化和數(shù)字化也是未來系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

邱柏順還深入探討了功率應用的不同程度。從低功率應用，如手機和家電，到中功率應用，如汽車和工業(yè)，再到高功率應用，如光伏、風電和電網(wǎng)，碳化硅和氮化鎵在這些不同的應用中都有巨大的市場潛力。

碳化硅在汽車行業(yè)的應用目前最為主流，未來將向更高功率發(fā)展。而氮化鎵則從低功率應用，如手機充電器，逐步擴展到其他消費類產(chǎn)品，并希望在車載應用中取得突破。Yole Group預測，未來五年，氮化鎵市場規(guī)模將達到22億美元，而碳化硅市場規(guī)模將達到100億美元。

邱柏順表示，SiC 已逐漸在電動車主驅(qū)逆變器中扮演要角，2023年SiC全球市場已經(jīng)達到27億美元，其中汽車占據(jù)70%到80%的市場，未來隨著電氣架構將往800V邁進，而耐高壓SiC 功率元件預料將成為主驅(qū)逆變器標配。此外，還有光伏、風電，這兩個領域?qū)iC需求，未來可以占據(jù)15%到20%的市場份額。從全球來看，中國在新能源車市場上占有超過一半的份額，充電樁數(shù)量也遠高于其他國家。歐洲和美國在推動新能源車方面也有明顯增長，但仍落后于中國。

未來幾年，800伏電動汽車市場將迅速增長，采用碳化硅方案的車型將逐漸增多。充電器市場方面，AC-DC和DC-DC拓撲結構將進一步發(fā)展，碳化硅在這些領域也將有更廣泛的應用。

目前，全球有許多碳化硅生產(chǎn)制造工廠正在運行或建設中，包括意法半導體、英飛凌等公司在歐洲、美國、東南亞和中國都有布局。未來，從6英寸到8英寸的發(fā)展將是關鍵。氮化鎵方面，手機充電器是目前最主要的應用市場，未來將擴展到更多的消費類和汽車應用。氮化鎵在數(shù)據(jù)中心和AI服務器中的應用也有很大潛力，特別是在節(jié)能和高能效方面。

最后，從供應鏈角度看，IDM模式將在未來得到更廣泛的應用和認可，特別是在車用半導體和數(shù)據(jù)中心等細分市場中，芯片廠商會普遍采用IDM模式。代工廠和無晶圓廠模式仍將存在，但整個行業(yè)的業(yè)務模式將逐漸向IDM模式傾斜。

寬禁帶半導體加速“低碳化”和“數(shù)字化”范式變化

英飛凌科技副總裁、英飛凌科技消費計算與通訊業(yè)務大中華區(qū)市場營銷負責人劉偉先生和英飛凌科技副總裁、英飛凌科技工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)市場營銷負責人沈璐女士帶來了主題演講《寬禁帶創(chuàng)新技術加速低碳化和數(shù)字化》。

基于在SiC領域的豐厚積累，英飛凌擁有40多年對SiC工藝制程、封裝和失效機理的理解，全球最大的8英寸碳化硅功率晶圓廠以及業(yè)界最廣泛的SiC產(chǎn)品組合、應用市場、客戶群覆蓋。尤其是推出的新一代CoolSiC^TM MOSFET Gen2技術，與上一代產(chǎn)品相比，將MOSFET的主要性能指標（如能量和電荷儲量）提高了20%，顯著提升整體能效。

在GaN方面，自去年10月完成收購氮化鎵系統(tǒng)公司（GaN Systems），目前英飛凌的氮化鎵產(chǎn)品組合包括高壓和中壓的BDS、感測、驅(qū)動和控制系列，可廣泛應用于AI服務器、車載充電器（OBC）、光伏、電機控制、充電器和適配器等。如在AI服務器領域，基于AI系統(tǒng)對更高功率的需求，進一步增加了半導體的使用量。

沈璐首先登臺，她強調(diào)了2020年后全球面臨的巨大不確定性，同時指出全球正在經(jīng)歷數(shù)字化和低碳化的范式變化。這一變革，不僅改變了技術發(fā)展的方向，也重塑了全球市場的格局。

沈璐展示了一組關于低碳化的數(shù)據(jù)：2023年7月成為人類歷史上最熱的一個月，但這一年也是全球可再生能源裝機量大幅增長的一年，新增裝機容量達到510吉瓦，同比增長50%。她特別提到，中國在2023年實現(xiàn)了可再生能源發(fā)電裝機總量占全國總裝機比重一半以上的里程碑。這表明，全球在降低二氧化碳排放方面已經(jīng)達成共識，低碳化的實質(zhì)是電氣化，無論在發(fā)電端還是用電端。

根據(jù)國際能源署的預測，到2030年全球?qū)τ诠夥b機量的總需求將達到5400吉瓦，是2023年全球光伏裝機量的4倍。而新能源汽車的發(fā)展同樣帶來巨大的需求，預計到2030年全球新能源汽車銷量將達到5400萬輛，是2023年的3倍左右。沈路指出，這標志著全球可再生能源和新能源的發(fā)展才剛剛起航。

隨后，沈璐詳細講解了碳化硅技術的應用前景。她提到，未來五年內(nèi)，80%以上的碳化硅將應用于電動汽車相關領域，這其中就包括了車載充電器。同時，在光伏升壓站和儲能應用領域，碳化硅也展現(xiàn)出巨大的應用前景。碳化硅技術不僅能提升系統(tǒng)效率，還能降低系統(tǒng)體積，提高能源轉(zhuǎn)換效率。沈璐指出，這對工商業(yè)場景中的儲能應用尤為重要，碳化硅是幫助企業(yè)提升投資回報率的最佳技術。

沈璐繼續(xù)介紹道，除了光伏和儲能之外，碳化硅在不同電源應用場景、數(shù)據(jù)中心不間斷電源、軌道交通牽引用電、熱泵和燃料電池車的空氣壓縮機驅(qū)動等方面，也展現(xiàn)出不可替代的作用。

隨后，劉偉分享了數(shù)字化的相關數(shù)據(jù)以及結合應用的深刻洞察。他強調(diào)，數(shù)字化已經(jīng)深入到日常生活中的方方面面，并在電力消耗上提出了新的挑戰(zhàn)。他指出，中國數(shù)據(jù)中心在2022年消耗了全國總用電量的3%左右，預計到2025年這一比例將提升至4-5%。此外，GPT-4的訓練用電量達到了驚人的2億度電，這相當于數(shù)萬家庭一年的總用電量。

劉偉還提到，到2027年全球物聯(lián)網(wǎng)終端設備將突破300億個，這些設備對電力的需求將顯著增加。他表示，人工智能的發(fā)展同樣需要大量的能源，并引用數(shù)據(jù)表明，超過三分之二的碳排放來自能源的生產(chǎn)和使用。因此，提高能源的生產(chǎn)、傳輸、使用和存儲效率，是全球節(jié)能減排的重要課題。英飛凌的寬禁帶半導體技術將在電力轉(zhuǎn)換和功率密度提升方面發(fā)揮關鍵作用。

接下來，劉偉詳細介紹了氮化鎵技術在各個領域的應用。他提到，氮化鎵充電器因其高功率密度和高效率，已經(jīng)成為市場上的主流產(chǎn)品，廣泛應用于手機充電器和數(shù)據(jù)中心等領域。劉偉還指出，在電動汽車的OBC和DCDC應用場景中，氮化鎵技術也展現(xiàn)出巨大的潛力，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和效率。

劉偉繼續(xù)分享了英飛凌在氮化鎵領域的戰(zhàn)略和市場布局。他提到，英飛凌通過收購GaN Systems，極大豐富了其產(chǎn)品組合，能夠覆蓋廣泛的電壓范圍且擁有多種封裝技術，能夠滿足不同應用的需求。此外，英飛凌目前在氮化鎵領域擁有超過350個氮化鎵技術專利族，持續(xù)引領行業(yè)發(fā)展。他特別提到，英飛凌在奧地利和馬來西亞設有自有制造工廠，同時也有外部代工合作伙伴，能夠確保供應鏈的安全和穩(wěn)定。

最后，劉偉總結道，氮化鎵市場規(guī)模預計到2029年將超過22億美元，英飛凌在這一領域的領導地位無可動搖。通過持續(xù)的技術創(chuàng)新和市場布局，英飛凌將在未來能源轉(zhuǎn)換和數(shù)字化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。

華中科大教授彭晗：寬禁帶功率器件應用機遇和挑戰(zhàn)

在一場聚集了眾多電力電子領域?qū)＜业恼搲?，華中科技大學教授、博士生導師彭晗女士以其深厚的學術背景和豐富的研究經(jīng)驗，為與會者帶來了一場名為“寬禁帶功率器件應用機遇和挑戰(zhàn)”的主題演講。她的演講從電力電子半導體器件的發(fā)展歷程開始，描繪了一個從傳統(tǒng)硅基器件到如今寬禁帶功率器件的技術演進過程。

彭晗教授指出，電力電子的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管、硅MOSFET和硅IGBT三個重要階段。如今，隨著技術的進步，寬禁帶功率器件已經(jīng)成為了新的核心。她詳細介紹了寬禁帶功率器件在擊穿電壓、飽和載流子速率、導熱導電性能等方面的優(yōu)越性，這些特性使其在高壓、高溫和高速場合具有明顯的優(yōu)勢。她說：“寬禁帶功率器件已經(jīng)成為電力電子裝備的一個主流器件，也推動著變換器向高頻、高壓和高效的方向發(fā)展。”

?在市場規(guī)模上，彭晗教授特別提到了碳化硅器件。她分享了碳化硅器件在市場份額、滲透率和年復合增長率上的出色表現(xiàn)，并深入分析了碳化硅器件的兩種主流結構：平面型和溝槽型。她解釋道，平面型工藝相對簡單，器件一致性好；而溝槽型由于無JFET區(qū)域，導通電阻和輸入電容更小，特別適合高壓大電流的應用場合。

接著，彭晗教授還詳細討論了氮化鎵器件。她指出，氮化鎵器件與傳統(tǒng)的硅基器件有著顯著的區(qū)別，其平面型結構和高載流子密度使其在導通電阻和開關速度方面表現(xiàn)突出。然而，氮化鎵器件的耐擊穿電壓較低，短路耐受能力也不如其他器件，這些特性在某些應用場景中需要特別注意。

彭晗教授還對比了車規(guī)IGBT、碳化硅MOSFET和氮化鎵器件的靜態(tài)參數(shù)和輸出特性，指出了各自的優(yōu)缺點。她提到，IGBT在小電流下的導通壓降較高，但在大電流下表現(xiàn)優(yōu)異，適用于高溫工作環(huán)境。而碳化硅MOSFET在小電流下的表現(xiàn)則優(yōu)于IGBT，但在大電流下其導通電壓較高。

在講解完技術細節(jié)后，彭晗教授還分享了寬禁帶功率器件在應用中的機遇和挑戰(zhàn)。她強調(diào)，提高功率變換器的效率和功率密度，以及確保高可靠性，是寬禁帶功率器件應用的重要方向。她以服務器電源為例，說明在AI技術日益發(fā)展的今天，提高能量效率的重要性，并指出在遠洋航天等要求高的應用場合，高功率密度和高可靠性尤為關鍵。

然而，她也指出，寬禁帶功率器件在實際應用中仍面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，不同工況和時間尺度下的特性認識尚不全面，特別是在開關速度快、寄生參數(shù)高的情況下，電壓電流過沖和電磁干擾的增強都是需要解決的問題。此外，寬禁帶功率器件的老化和失效機制也需要進一步研究，以確保其在極端工況下的可靠性。

彭晗教授以中國能源局白皮書中的新型電力系統(tǒng)建設為例，展望了寬禁帶功率器件在未來電力系統(tǒng)中的應用前景。她提出，在電力系統(tǒng)中使用新型功率器件，可以顯著提升關鍵設備的容量、效率和經(jīng)濟性，這對未來電力系統(tǒng)的建設具有重要意義。

寬禁帶讓能源效率更上一層樓

在技術市場方面，英飛凌科技副總裁、英飛凌科技消費、計算與通訊業(yè)務大中華區(qū)技術市場負責人陳志豪和英飛凌科技高級技術總監(jiān)、英飛凌科技工業(yè)與基礎設施業(yè)務大中華區(qū)技術市場負責人陳立烽則從技術應用的角度介紹了英飛凌寬禁帶產(chǎn)品如何助力能源效率提升。如Si 、SiC 和GaN三種半導體材料器件的技術特性對比，指出雖然硅超級結在低開關頻率中占優(yōu)，但SiC和GaN終將主導新型拓撲結構和高頻應用；結合CoolSiC?和CoolGaN?的技術特性及優(yōu)勢，分別在不同領域的典型應用案例，如在公共電源轉(zhuǎn)換（PCS）系統(tǒng)中采用SiC模塊，可實現(xiàn)>99%的效率，CoolGaN?雙向開關在微型逆變器中的應用等。

陳志豪先生首先提到，據(jù)Yole預測：到2028年，碳化硅和氮化鎵的總價值將占功率半導體市場的30%以上。關鍵應用領域包括電動汽車、混動車、再生能源、快速充電和數(shù)據(jù)中心。英飛凌同時擁有碳化硅、氮化鎵和硅襯底的功率器件，每種器件在不同的應用場景中展現(xiàn)出不同的優(yōu)勢。

陳志豪指出：“這幾個領域，如電動汽車、混動車，再生能源，快速充電，數(shù)據(jù)中心，這些應用領域確定會是推動寬禁帶半導體市場提升的主要動力?！彼麖娬{(diào)英飛凌在這些應用中不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，以提高能源效率和系統(tǒng)性能。

陳立烽先生進一步解釋了寬禁帶半導體的應用。他詳細講解了幾種拓撲架構，包括硬開關的拓撲架構（如PFC圖騰柱），軟開關的拓撲架構（如LLC），以及半橋拓撲架構。這些架構中，碳化硅和氮化鎵器件在高頻硬開關應用中表現(xiàn)出色。

他展示了一張應用圖，詳細描述了各類器件的性能和應用場景。例如，在PFC圖騰柱的架構中，碳化硅和氮化鎵器件因其優(yōu)異的高頻硬開關性能而被廣泛應用。陳立烽解釋說：“基本上沒有辦法使用傳統(tǒng)硅器件在這種架構中達到所需的效率和功率密度，寬禁帶器件則能夠很好地解決這個問題?！?/p>

演講中陳立烽提到，碳化硅和氮化鎵在硬開關應用中具有顯著優(yōu)勢，特別是在高頻硬開關場景下。碳化硅在開關損耗和導通電阻方面表現(xiàn)優(yōu)越，且不受溫度影響。氮化鎵在電壓型和電流型控制應用中展現(xiàn)出不同的特性，適用于各種高效能應用。

陳立烽詳細解釋了氮化鎵器件的兩種控制類型：電壓型控制和電流型控制。他指出：“電流型控制的氮化鎵控制機制復雜一些，但在特定應用中能夠提供更高的效率和性能?！边@種細致的分析幫助與會者更好地理解不同類型寬禁帶器件在各種應用中的優(yōu)勢。

陳立烽先生展示了碳化硅MOSFET在混合式太陽能逆變器中的應用，通過提高開關頻率和減少損耗，實現(xiàn)了顯著的效率提升。在不同開關頻率下，使用CoolSiC^TM，可將總半導體損耗降低約41%。這種顯著的損耗減少，使得碳化硅器件在高頻率應用中具有明顯的優(yōu)勢。

他還分享了一個三電平ANPC架構的案例。在這種架構中，碳化硅器件展示出極高的效率，達到了99.35%。這種高效率使得碳化硅器件在高功率應用中成為理想選擇。此外，碳化硅器件在溫度穩(wěn)定性和高頻性能方面也表現(xiàn)出色，使其在各種復雜應用中具有廣泛的適用性。

此外，陳志豪先生介紹了數(shù)據(jù)中心應用中的拓撲架構，特別是英飛凌自主研發(fā)的3.3千瓦服務器電源設計。該設計采用了多層堆疊技術，利用英飛凌的碳化硅和氮化鎵器件，提高了功率密度和效率。英飛凌的新一代控制器將在未來服務器電源中扮演核心角色。

他展示了一張詳細的拓撲圖，解釋了從AC輸入到DC輸出的整個功率轉(zhuǎn)換過程。在這個過程中，英飛凌的碳化硅和氮化鎵器件分別在不同的階段發(fā)揮關鍵作用。通過這種設計，英飛凌成功地將服務器電源的功率密度提高了約兩倍，從60W/in³達到了160 W/in³。

陳志豪特別指出：“通過提高效率，可以把要解決的散熱問題克服掉?！边@句話完美概括了寬禁帶半導體在提升能源效率和系統(tǒng)性能中的重要性。

最后，陳志豪先生和陳立烽先生總結了寬禁帶半導體在提高能源效率方面的顯著作用。英飛凌通過全面布局硅、碳化硅和氮化鎵產(chǎn)品，為各類應用提供高效能解決方案。他們強調(diào)，英飛凌在寬禁帶半導體領域的全面布局，不僅包括低壓的OptiMOS^TM系列，中壓的CoolGaN^TM系列，還包括高壓的CoolMOS^TM SJ MOSFET和TRENCHSTOP^TM IGBT系列。通過這種全面的產(chǎn)品組合，英飛凌能夠滿足各種應用需求，為客戶提供最優(yōu)的解決方案。