新基建驅(qū)動(dòng)電力電源變革，ST祭出一攬子解決方案

我國正在大力進(jìn)行新基建，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車充電樁、5G手機(jī)等對(duì)電力與電源提出了更高的能效要求。與此同時(shí)，SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體材料風(fēng)生水起，奠定了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展基礎(chǔ)。

充電樁、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)需要哪些新電力與電源器件？近日，ST（意法半導(dǎo)體）亞太區(qū)功率分立器件和模擬產(chǎn)品部區(qū)域營銷及應(yīng)用副總裁Francesco MUGGERI接受了電子產(chǎn)品世界記者的采訪，分享了對(duì)工業(yè)市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，并介紹了ST的新產(chǎn)品。

ST亞太區(qū) 功率分立器件和模擬產(chǎn)品部 區(qū)域營銷及應(yīng)用副總裁 Francesco MUGGERI

1 工業(yè)電源市場(chǎng)的增長點(diǎn)

工業(yè)領(lǐng)域中有幾個(gè)細(xì)分市場(chǎng)增長迅速（如下圖）。據(jù)IHS Markit預(yù)測(cè)，2018—2021年，生產(chǎn)和過程工業(yè)自動(dòng)化、電力和能源、醫(yī)療電子、樓宇和家居控制等市場(chǎng)的年均增長率將達(dá)6％左右，而安防和視頻監(jiān)控應(yīng)用（大部分屬于自動(dòng)化方面）的同期年均增長率將近19％。

圖：部分高增長的工業(yè)市場(chǎng)（SAM: 可服務(wù)市場(chǎng)，來源：IHS Markit）

其中，電力器件在工業(yè)市場(chǎng)中占1/4江山，且市場(chǎng)對(duì)電力的需求正在上升。有數(shù)據(jù)顯示，2020—2030年，電力需求將增長30％。與此同時(shí)，世界各國對(duì)減少碳排放做出了堅(jiān)定的承諾，預(yù)計(jì)到2030年，二氧化碳排放量將比2010年減少45％。因此，電力與電源從業(yè)者在迎來巨大機(jī)遇的同時(shí)，還需集中精力節(jié)約能源，推出更多的綠色能源解決方案。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)電源的需求

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出高度復(fù)雜和差異化的特點(diǎn)。這意味著需要在市場(chǎng)上引入一個(gè)新概念，即在本地完成通信、計(jì)算的集成系統(tǒng)。

為此，人們必須智能地分配電力，必須獲得自動(dòng)化生產(chǎn)線和綜合數(shù)據(jù)分析，而這些需要高水平的計(jì)算能力、感知能力、自然溝通能力。從電源管理的角度看，①需要連續(xù)的電力傳輸，所以需要UPS、充電器。②由于在復(fù)雜的物流倉庫里，有數(shù)百個(gè)機(jī)器人上下左右移動(dòng)，需要給這些機(jī)器人充電，所以無線充電正成為這類機(jī)器人的需求。③對(duì)于協(xié)作機(jī)器人，需要有能夠連續(xù)供電的大型設(shè)備。為了不停機(jī)，需要最大限度地提升效率，因?yàn)椴荒茏寵C(jī)器人停在某個(gè)地方充電2小時(shí)，因此，快速無線充電是此類應(yīng)用的未來主要趨勢(shì)。

值得一提的是，對(duì)于服務(wù)器、本地計(jì)算和邊緣計(jì)算，需要用到分布式電源管理技術(shù)。全面的分析方法可以避免設(shè)備損壞和系統(tǒng)崩潰。①在這種情況下，需要進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)以防止此類問題發(fā)生。②所有這些級(jí)別的計(jì)算都需要交給性能強(qiáng)大的服務(wù)器來完成，因此，需要獲得連續(xù)不間斷的電力傳輸。③所有這些計(jì)算能力需要不間斷地分配給周圍的所有傳感設(shè)備，因此，復(fù)雜系統(tǒng)需要具有連續(xù)傳輸?shù)姆植际诫娫?，并且需要機(jī)器人不停機(jī)充電。這些已經(jīng)在多個(gè)層面上創(chuàng)造了巨大的機(jī)會(huì)，包括電力與能源、電機(jī)控制和自動(dòng)化。

3 SiC與GaN功率器件的機(jī)會(huì)

1）SiC

SiC器件的明顯優(yōu)勢(shì)是可以在高溫下工作。目前SiC的結(jié)溫可達(dá)200℃，甚至220℃，或許還能達(dá)到250℃。但是封裝限制了這項(xiàng)性能，塑料外殼或框架不支持這個(gè)溫度。因此，現(xiàn)在ST將SiC產(chǎn)品的工作溫度限制在200℃以下。

圖：ST的SiC MOSFET封裝

SiC器件非常適合在極其惡劣和極差的環(huán)境下工作。如果器件工作在非常狹窄的空間，而沒有足夠的散熱空間，那么最好使用SiC MOSFET。

此外，SiC開關(guān)性能十分出色，只要對(duì)大功率和高壓有要求，SiC是理想之選。

但是，還有一個(gè)因素影響客戶的決定，即SiC是否真的物有所值？其創(chuàng)造的價(jià)值是否值得客戶支付更高的成本？因此，人們還需要計(jì)算投資回報(bào)率。例如，如果將SiC器件部署在中國市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車等商品中，可能永遠(yuǎn)無法獲得合理的投資回報(bào)。所以在這些應(yīng)用中，傳統(tǒng)的Si解決方案的市場(chǎng)地位無法撼動(dòng)。但對(duì)于高端工業(yè)應(yīng)用，工作溫度優(yōu)勢(shì)明顯的SiC就更適合多種應(yīng)用，例如電信設(shè)備，供電站和充電站，以及太陽能等。其它的工業(yè)應(yīng)用將沿用傳統(tǒng)的硅解決方案。

2）GaN

GaN器件也有一定的市場(chǎng)空間。GaN的優(yōu)勢(shì)在于其開關(guān)頻率非常高。高開關(guān)頻率意味著可以使用尺寸更小的無源元件。這意味著如果需要減小外形尺寸，例如手機(jī)充電器或者你不想攜帶大尺寸的產(chǎn)品，這時(shí)GaN將發(fā)揮重要作用。

直到今天，GaN仍然不能支持很高電壓。盡管有這方面的研究，但在1200 V市場(chǎng)上還沒有GaN產(chǎn)品投放。當(dāng)今市場(chǎng)上大多數(shù)GaN產(chǎn)品的最大電壓約為600 V和700 V。由于技術(shù)本身的原因，GaN器件的電壓能力仍然存在一些限制，但GaN可以滿足降低開關(guān)損耗的要求。

可以肯定的是，GaN將在未來取代Si基產(chǎn)品而占據(jù)更大的份額。但是，目前這項(xiàng)新興技術(shù)尚未成熟，這意味這塊市場(chǎng)還需要大量的投資。因此，GaN的市場(chǎng)和應(yīng)用的滲透率較低。例如，GaN先是用于充電器、適配器，然后用于其它解決方案，諸如低功耗服務(wù)器。但是，如果優(yōu)化投資回報(bào)率，GaN技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)變得更大。

3）GaN和SiC在工業(yè)功率市場(chǎng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2018—2025年，SiC MOSFET在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)保持2位數(shù)的年均增速。對(duì)于亞洲市場(chǎng)，據(jù)ST估算，2019年SiC工業(yè)市場(chǎng)規(guī)模是1.5億美元，這是一個(gè)非常樂觀的數(shù)字。GaN有一些應(yīng)用，例如一些公司推出的充電器和用于圖騰柱技術(shù)的設(shè)備，現(xiàn)在亞洲區(qū)工業(yè)GaN市場(chǎng)規(guī)模不到2500 萬美元。

以下介紹一下ST推出的SiC和GaN新產(chǎn)品，分別針對(duì)充電樁和手機(jī)充電器。

4 節(jié)省150 美元的直流充電樁SiC方案

ST正提供創(chuàng)新的直流充電站解決方案——15 kW雙向PFC（3級(jí)T型），可謂面向充電樁的里程碑式的解決方案。

它采用SiC器件和數(shù)字控制，即STPOWER系列產(chǎn)品和STM32G4 MCU，開發(fā)設(shè)計(jì)PFC產(chǎn)品，該方案可以把能效提高到更高水平。相比IGBT等的解決方案，ST的SiC產(chǎn)品能夠?qū)⒛苄岣?.5％。這個(gè)數(shù)字也許看起來微不足道，但這不僅僅是數(shù)字的問題，因?yàn)椋孩佼?dāng)能效接近100％時(shí)，提高0.5％并不容易，實(shí)際上是可觀的節(jié)能改進(jìn)；②從成本角度看，每個(gè)電路板可節(jié)省總擁有成本150美元。

眾所周知，SiC比Si基產(chǎn)品價(jià)格高，為何能節(jié)省成本？因?yàn)镾iC板子的無源元件成本較低，是一種成本補(bǔ)償。因此，包括無源和有源半導(dǎo)體元件在內(nèi)，電路板的BOM（物料清單）成本略高出20%~30%。那么，150 美元哪里來的？ 

具體地，高功率充電站通常是350 kW。一輛典型的電動(dòng)汽車的充電功率約為120 kW，充電80%~90%時(shí)只需約20~25分鐘。在這種情況下，假設(shè)這些充電站只運(yùn)行半天，而不是一整天，所以每天充電總用電量是：

    350 kW x 12 h

如果ST的解決方案能節(jié)省能耗0.5%，則節(jié)省的能源是：

    350 kW x 12 h x 0.5% = 21 kW·h

如果這些充電站一年365天都充電，并且假設(shè)電路板使用壽命是5年，則

    21 kW·h x 365 x 5 = 38.325 MW·h

以中國為例，電價(jià)約為0.09美元/ kW·h。假設(shè)每個(gè)充電樁有24塊充電板，則

    38.325 MW·h x 0.09 美元/kW ? 24=143.7 美元

可見，每塊板子的節(jié)能效果接近150 美元。

所以如果只看元件本身或IGBT改用SiC MOSFET，成本會(huì)提到，但是總擁有成本帶來了降低。這也說明節(jié)能對(duì)于每塊板卡是多么重要，哪怕只是耗散功率降低幅度很不起眼。

在中國市場(chǎng)做一個(gè)測(cè)算，中國可能需要100萬座350 kW充電樁的充電站，這將節(jié)省可觀的電能。而BOM成本只拉高了20%~ 25%，這是非常合理的。 

“這是一個(gè)里程碑式的解決方案，現(xiàn)在市場(chǎng)上還沒有友商能提供達(dá)到這種組件級(jí)別的集成解決方案?！?MUGGERI先生說。

ST此次推出15 kW PFC解決方案，使充電樁和直流轉(zhuǎn)換功率達(dá)到350 kW。ST的下一步目標(biāo)是增加每塊板的輸出功率，因此正在設(shè)法將每塊板的功率提高到(20~30)  kW。

5 手機(jī)GaN充電器方案——65 W Type-C方案

ST的65 W Type-C&PD充電器主攻高端手機(jī)充電器市場(chǎng)，能效可達(dá)93％~94％，對(duì)于普通手機(jī)，充電時(shí)間可少于30分鐘。

從技術(shù)角度，65 W Type-C?的創(chuàng)新有二點(diǎn)：①采用GaN FET半橋驅(qū)動(dòng)； ②使用SiP。其尺寸如下圖，可見該方案的高度比2個(gè)iPhone手機(jī)略低，而整個(gè)方案的尺寸相當(dāng)于1元硬幣的大?。ㄈ缦聢D）——尺寸小到令人驚嘆。如果將縱向變壓器換成橫向變壓器，縮減效果會(huì)更好，ST目前正在嘗試這方面的研發(fā)。

其中采用了650V GaN HEMT高壓半橋驅(qū)動(dòng)SiP。實(shí)際上，ST還投資了GaN HEMT SiP。對(duì)于GaN封裝，ST有一個(gè)清晰的產(chǎn)品路線圖，涵蓋充電器和其它看重功率密度的設(shè)備和應(yīng)用。ST還有一個(gè)非常清晰的GaN分立器件市場(chǎng)戰(zhàn)略，瞄準(zhǔn)(3~120) mΩ電阻區(qū)間的100 V和650 V兩塊市場(chǎng)（如下圖）。

6 背景：ST的電力與能源業(yè)務(wù)

據(jù)IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算（基于制造和過程自動(dòng)化、電力與能源、樓宇和住宅控制、以及其他行業(yè)的數(shù)據(jù)），ST在工業(yè)用功率分立器件領(lǐng)域排名第二位。

下圖是ST亞洲的電力和能源市場(chǎng)增長情況，可見近兩年可服務(wù)的市場(chǎng)的發(fā)展速度不斷加速。

ST為直流充電樁及工業(yè)用電提供很多領(lǐng)先的解決方案，包括如下幾部分。