英領(lǐng)物聯(lián) | 成為“功率器件”的大滿貫選手

憑借高效領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體技術(shù)，英飛凌不但在節(jié)能減排方面一直走在全球科技公司的前列，還在積極提出了自己的“2030年碳中和承諾”——即相較于2019年，通過減少和替代的方式，在2025年實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放量減少70%的目標(biāo)；到2030年，將主要通過避免排放來實(shí)現(xiàn)碳中和。

自信的承諾與英飛凌“低碳化和數(shù)字化”戰(zhàn)略之間存在著高度契合。作為“連接現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界”的領(lǐng)導(dǎo)者與踐行者，英飛凌將“未來出行”、“物聯(lián)網(wǎng)”和“能源效率”視作未來三大主攻方向之一，認(rèn)為這會給包括功率器件在內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供更多的市場機(jī)會。

IoT Analytics的最新報(bào)告印證了上述判斷。以物聯(lián)網(wǎng)市場而言，數(shù)據(jù)顯示，物聯(lián)網(wǎng)半導(dǎo)體市場規(guī)模將有望從2020年的330億美元增長到2025年的800億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)19%。其中，物聯(lián)網(wǎng)微控制器(MCU)、物聯(lián)網(wǎng)連接芯片組、物聯(lián)網(wǎng)AI芯片組和物聯(lián)網(wǎng)安全芯片組和模塊，將成為增長最為迅猛的四大領(lǐng)域。

有意思的是，這與英飛凌所定義的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備五大硬件元素：“感知、計(jì)算、執(zhí)行、連接和安全”間，形成了巨大的默契。在英飛凌看來，“感知”是物聯(lián)網(wǎng)的起點(diǎn)；“計(jì)算”等同于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的“大腦”；“執(zhí)行”是智能化數(shù)字世界的賦能者；“連接”扮演著物聯(lián)網(wǎng)世界彼此溝通的紐帶角色；而“安全”則給予“物”可信賴的身份。

釋放功率半導(dǎo)體的魅力

之所以要特別聚焦功率半導(dǎo)體，是因?yàn)樗请娔?功率處理的核心器件，主要用于電力電子設(shè)備的電能變換和控制。典型的功能是在接收到微控制器的計(jì)算結(jié)果和指令后，進(jìn)行變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，對設(shè)備正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，物聯(lián)網(wǎng)“執(zhí)行”這一關(guān)鍵過程就高度依賴功率半導(dǎo)體。

作為同時(shí)擁有涵蓋硅器件和碳化硅、氮化鎵兩種第三代半導(dǎo)體器件的全產(chǎn)品組合的企業(yè)，英飛凌連續(xù)18年占據(jù)全球功率半導(dǎo)體市場占有率第一的寶座，通過MOSFET(Si/SiC)、IGBT、HEMT(GaN)、智能功率開關(guān)、照明驅(qū)動芯片、電機(jī)控制芯片、電源管理芯片、智能功率模塊(IPM)組成的功率產(chǎn)品矩陣，提供涵蓋瓦至兆瓦功率范圍的高能效解決方案。

截止到2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，英飛凌是分立式IGBT和IGBT模塊的“雙料冠軍”，且大幅領(lǐng)先于競爭者。此外，英飛凌還是2020年智能功率模塊市場的第三名。

（圖片來源于英飛凌于Q2 FY2022發(fā)布的Investor Presentation）

·電機(jī)控制

電機(jī)控制系統(tǒng)是功率半導(dǎo)體器件在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中最典型的應(yīng)用場景之一。在傳統(tǒng)的電機(jī)控制中，當(dāng)主控MCU發(fā)出控制信號后，需要通過門極驅(qū)動器驅(qū)動MOSFET、IGBT或SiC，如果采用更集成的方案，就會形成智能功率模塊方案。

目前，電機(jī)控制系統(tǒng)能效管理正呈現(xiàn)三大發(fā)展趨勢：一是高效化，即從感應(yīng)電機(jī)向BLDC/PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)變，電機(jī)本體能效提升，功率器件開關(guān)高頻化，功率器件發(fā)熱量低，溫升??；二是小型化，主要體現(xiàn)在PCBA、散熱器減小，功率器件封裝減小；三是智能化，通過雙核，可以實(shí)現(xiàn)AI智能分析，提升系統(tǒng)效率功能，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

隨著“雙碳”、“減排”理念越來越受到重視，傳統(tǒng)耗電大戶的電機(jī)控制系統(tǒng)正朝著高效化、高頻化、小型化、智能化方向發(fā)展，受可靠性、可維護(hù)性、用戶體驗(yàn)影響，未來BLDC/PMSM無刷電機(jī)將持續(xù)替換有刷電機(jī)，市占率將進(jìn)一步提升。

·機(jī)器人

以工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人為代表的機(jī)器人行業(yè)，是一個(gè)擁有巨大潛力的市場，涉及功率管理、電機(jī)控制、安全性、通信、環(huán)境感知、定位和狀態(tài)感知等多項(xiàng)技術(shù)。在這里，包括650V/1200V TRENCHSTOP IGBT7單管器件、Easy IGBT功率模塊、600V CoolMOS P7 SJ MOSFET， SiC MOSFET系列在內(nèi)的功率器件，正默默為縮小控制箱尺寸，提供更高功率密度做出努力。

·智能家居

當(dāng)前，真空吸塵器、掃地機(jī)器人、吹風(fēng)機(jī)、榨汁機(jī)/攪拌機(jī)、電磁爐、吊扇、凈水器、空氣凈化器、除濕器為主的小家電市場增長迅猛，它們普遍希望以同等體積實(shí)現(xiàn)更高功率，或以更小體積實(shí)現(xiàn)同等功率。而以CIPOS智能功率模塊、iMOTION系列、TRENCHSTOP IGBT系列為代表的英飛凌功率器件組合，可以確保將功率器件的損耗降至最低，同時(shí)集成監(jiān)測和控制，簡化設(shè)計(jì)導(dǎo)入，使成本保持在可以接受的水平，有效推動了市場對更高效率驅(qū)動系統(tǒng)的需求。

同樣的趨勢也體現(xiàn)在用于私人住宅的家用空調(diào)設(shè)備上，它們也同樣強(qiáng)調(diào)智能化、小體積、強(qiáng)功能、更節(jié)能，高效節(jié)能的CIPOS? Mini智能功率模塊就十分合適。它不但具有最高功率密度，還集成了多種功率和控制元件來提高可靠性，并優(yōu)化PCB尺寸和降低系統(tǒng)成本，適用于空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、真空吸塵器、壓縮機(jī)等多種應(yīng)用場合中的控制變頻器。

此外，為了加快冰箱、洗衣機(jī)等較大型家用電器的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，英飛凌最新還推出了逆導(dǎo)型IGBT的壓縮機(jī)評估板或采用CoolMOS? MOSFET的壓縮機(jī)評估板，兩者都使用了集成電機(jī)控制器和柵極驅(qū)動器的iMOTION?驅(qū)動器。

·智能樓宇

經(jīng)濟(jì)增長和氣溫升高是全球電力消費(fèi)增加的主要原因。在這種背景下，面對功率范圍從3千瓦到75千瓦的商用暖通空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)，制定更高的冷卻效率標(biāo)準(zhǔn)將有助于減少排放和降低成本。于是，面向商業(yè)智能樓宇中的HVAC系統(tǒng)，英飛凌的Econo模塊和Easy模塊系列為控制壓縮機(jī)電機(jī)提供了最適合的解決方案組合，尤其是帶有全新Easy 3B封裝的IGBT7技術(shù)；對于較小容量的壓縮機(jī)或風(fēng)扇控制，智能功率模塊和Easy模塊則更加合適。

新一代IGBT器件IGBT7是英飛凌專為變頻驅(qū)動而設(shè)計(jì)的，尤其適用于通常以中等開關(guān)頻率工作的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。微溝槽(MPT)技術(shù)是IGBT7能夠顯著降低正向電壓，增加漂移區(qū)導(dǎo)電率的關(guān)鍵，在其加持下，與前幾代芯片技術(shù)相比，IGBT7的損耗得到了顯著降低。

不斷升級換代的IGBT模塊

乘風(fēng)破浪的第三代功率半導(dǎo)體

作為新材料的SiC和GaN，與傳統(tǒng)硅材料相比，有哪些特性？如下圖所示，從物理特性來看，SiC與硅材料的電子遷移率相差不大，但其禁帶寬度、臨界場強(qiáng)、熱導(dǎo)率和電子遷移速度分別是硅材料的3倍、7倍、3倍和2倍。這意味著基于碳化硅和氮化鎵材料的功率半導(dǎo)體具有高耐壓、低導(dǎo)通電阻、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性，當(dāng)應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域中時(shí)，具有損耗小、工作頻率高、散熱性等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升開關(guān)電源的效率、功率密度和可靠性，也更容易滿足器件輕薄短小的要求。

Si、SiC和GaN關(guān)鍵參數(shù)對比

以英飛凌600V/650V CoolSiC、CoolMOS與CoolGaN的應(yīng)用定位為例，硅在電壓范圍為25V-6.5kV仍是主流技術(shù)，適用于從低到高功率的應(yīng)用；碳化硅適用的電壓范圍是650V-3.3kV，適用于開關(guān)頻率從中到高的大功率應(yīng)用；而氮化鎵適用的電壓范圍是80V-650V，適用于開關(guān)頻率最高的中等功率應(yīng)用。因此，在600V和650V電壓等級，CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN是可以實(shí)現(xiàn)共存的。

那么在實(shí)際應(yīng)用中，面對Si、GaN和SiC三種器件共存的情況，IC廠商及產(chǎn)品設(shè)計(jì)師又該如何進(jìn)行選擇？從總的應(yīng)用趨勢看，傳統(tǒng)的硅材料開發(fā)時(shí)間最久，技術(shù)成熟度最高，產(chǎn)品范圍最廣也最完善，性價(jià)比最高，未來依然會是各個(gè)功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的主要器件；氮化鎵器件由于其在快速開關(guān)性能方面的優(yōu)勢，會在追求高效和高功率密度的行業(yè)有較快增長，但相比之下價(jià)格缺乏優(yōu)勢；碳化硅耐高溫，溫度系數(shù)變化比較小，如果要考慮“易用性”和堅(jiān)固性、耐用度，碳化硅會是不錯的選擇。

截至目前，英飛凌已發(fā)布200款CoolSiC?產(chǎn)品，其中有超過130個(gè)型號針對客戶的創(chuàng)新需求進(jìn)行了開發(fā)，在全球范圍內(nèi)更是擁有超過3,000家的活躍客戶。公司為SiC業(yè)務(wù)制定的目標(biāo)是到本世紀(jì)20年代中期，SiC產(chǎn)品的銷售額達(dá)到10億美元水平。

用于伺服驅(qū)動器的1200V CoolSiC? MOSFET就很具代表性。它的開關(guān)損耗要比相應(yīng)的IGBT選件低80%，且不受溫度影響。除了提高整體效率和減少損耗外，碳化硅技術(shù)還能提供更高的開關(guān)頻率，這可以在更加變化多端的控制環(huán)境中，給外部和集成的伺服驅(qū)動器帶來直接優(yōu)勢。

而氮化鎵器件不僅可降低耗電和總系統(tǒng)成本，還能提高工作頻率、功率密度以及系統(tǒng)整體效率，正日益受到充電器市場和廠商的重視。這一點(diǎn)，也可以從市場上不斷涌現(xiàn)的氮化鎵充電器新品得以印證。

自2018年起，英飛凌的氮化鎵開關(guān)管的產(chǎn)品就已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，在通訊和服務(wù)器領(lǐng)域持續(xù)、穩(wěn)定地為客戶提供電源支持。考慮到大功率、高功率密度、通用性、以及合適的成本是未來充電器市場的主要發(fā)展方向，英飛凌推出了包括CoolGaN? IPS系列、控制器、協(xié)議、高壓硅MOS、低壓硅MOS在內(nèi)的一站式USB-C充電器解決方案，涵蓋功率級、原邊、副邊驅(qū)動，支持客戶打造高性能、高可靠性且高成本效益的充電器產(chǎn)品。

英飛凌CoolGaN? IPS 產(chǎn)品

最新的產(chǎn)品則是采用CoolGaN? GIT HEMT 600V和一個(gè)新型PFC和Hybrid反激式組合IC的100W USB-PD演示器，具有行業(yè)基準(zhǔn)的功率密度，可在整個(gè)輸入和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的效率水平，同時(shí)采用小尺寸設(shè)計(jì)。

結(jié)語

“日新月異，行而不輟”。

從碳達(dá)峰到碳中和，無疑是需要付出艱苦努力的。對于半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)者們來說，則意味著一系列與新能源、電子轉(zhuǎn)換、節(jié)電相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品需求會在未來幾年內(nèi)迅速升溫。我們有理由相信，面對浩瀚如海洋星辰的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，通過持續(xù)的材料、技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新，英飛凌將為產(chǎn)業(yè)帶來更多低碳、高效的互聯(lián)解決方案。