第三代半导体开辟碳中和新赛道

第三代半导体开辟碳中和新赛道 字体： 小 中 大 分享到： 第三代半导体开辟碳中和新赛道 2021-12-15 08:45:30 来源：中国电子报

在特斯拉Model3上使用了意法半导体制造的碳化硅MOSFET，为碳化硅的上车开辟了道路。碳化硅MOSFET模块将特斯拉的逆变器效率从Model S的82%提高到Model 3的90%。

比亚迪的旗舰车型“汉”配备了高性能的碳化硅MOSFET电机控制模块，可以在3.9秒内从0加速到100km/h。比亚迪预计2023年用碳化硅半导体替代IGBT半导体，车辆续航能力将在现有基础上进一步提升10%。

随着绿色低碳战略的不断推进，提高能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识。以碳化硅和氮化镓为代表的宽带隙半导体(第三代半导体)成为市场关注的新焦点。“宽带隙半导体具有高频、高效率、高功率、耐高压、耐高温和抗辐射能力强等优异性能。将节能优势与效率优势相结合，是宽带隙半导体为碳中和做出贡献的重点。"苏州能迅高能半导体有限公司董事总经理任勉告诉《中国电子报》记者。

第三代半导体将大大降低能耗。

“基于小动态参数、高效率、低损耗、低发热等优势，宽带隙半导体为节能减排做出了积极贡献，将在促进碳中和方面发挥重要作用。”安森美半导体电源解决方案部市场经理袁光明对《中国电子报》记者指出。

具体来说，宽带隙半导体满足电力电子、光电子、微波射频等领域的节能要求。在电力电子领域，与硅器件相比，碳化硅功率器件可降低能耗50%以上，减少设备75%以上，有效提高能量转换率。在光电子领域，氮化镓具有光电转换效率高、散热能力好等优点，适用于制造低能耗、高功率的照明器件。在射频领域，氮化镓射频器件具有高效率、高功率密度、大带宽等优点，带来了高效、节能、体积更小的设备。

宽带隙半导体低功耗、高性能的特点吸引着国内外技术提供商和下游应用企业纷纷布局。上游供给端，科锐、英飞凌、意法半导体、安森美、罗马等国际企业，以及比亚迪、三安光电、华润微、泰科天润、基础半导体、苏州能讯等国内企业。，向市场交付碳化硅、氮化镓基二极管、晶体管和功率模块，并将其应用于控制、驱动和电池等各种电源系统。

在下游产品方面，宽带隙半导体已经被消费者清楚地认识到。2018年，特斯拉在Model3中使用了意法半导体制造的碳化硅MOSFET，开启了碳化硅的上车之路。SiC MOSFET模块将特斯拉的逆变器效率从Model S的82%提高到Model 3的90%，降低了传导和开关损耗，提高了续航能力。

2020年2月，小米发布了65W氮化镓充电器，可以给PC和type-C接口的手机充电。该充电器一上线就被抢购一空，订阅人数一度突破10万，掀起了氮化镓在消费市场的普及之路。

宽带隙半导体应用开始大规模落地。

碳中和引发的电力系统和产业结构变革，不仅推动了新能源汽车等新产业的发展，也为数据中心等高能耗场景提出了更高的能效指标，推动了轨道交通等传统领域的智能化改造。这些新趋势将为宽带隙半导体开辟可观的增量市场。

“碳中和涉及的发电、输变电、用电都有宽禁带半导体空的发展，重点领域包括电动汽车、充电桩、光伏和风电转换、电子产品充电器等。”西安电子科技大学研究员郭辉告诉《中国电子报》记者。

降低汽车行业碳排放是实现“双碳”目标的重要环节，减碳效果明显的新能源汽车将迎来更广泛的应用空。碳化硅可以为新能源汽车提供能量转换率更高、体积更小、重量更轻的电机控制器，从而降低整车重量和能耗。

在特斯拉开创之后，越来越多的车企正在或计划在电动车上搭载碳化硅模块。比亚迪旗舰车型“汉”搭载高性能碳化硅MOSFET电机控制模块，0到100km/h加速仅需3.9秒。比亚迪预计2023年用碳化硅半导体替代IGBT半导体，车辆续航能力将在现有基础上进一步提升10%。通用汽车将在下一代电动汽车中使用碳化硅，并将其视为电力电子设计的重要材料。韩国现代汽车公司计划在2022年推出的电动汽车中使用内部开发的碳化硅芯片。市场研究机构Yole预测，到2025年，新能源汽车和充电桩领域的碳化硅市场规模将达到17.78亿美元，约占碳化硅总市场规模的70%。

轨道交通正在从机械开关控制走向数字控制，碳化硅可以为轨道交通提供更加稳定可控的电子核心器件。碳化硅功率器件已在轨道交通牵引逆变器中得到应用和验证，具有广阔的应用前景。

随着大数据、云服务和人工智能的出现，全球数据中心的处理能力不断提高，部署的服务器数量也相应增加。据IDC统计，2020年全球服务器出货量将达到1220万台。氮化镓基服务器电源可以更高效地帮助数据中心实现节能目标。一方面，氮化镓可以降低服务器电源的功耗和热耗。另一方面，氮化镓器件比硅器件需要更少的部件，这可以减少生产部件所需的碳排放。纳微半导体提供的数据显示，使用氮化镓每年可以为全球数据中心节省约19亿美元的电费。

氮化镓在接近消费者的时候也有用武之地。目前手机厂商如小米、苹果、三星、OPPO、魅族等。推出了氮化镓快速充电，可以为消费者提供更快、更高效的充电体验，同时减少充电器体积。同时，在太阳能场景下，基于氮化镓的太阳能逆变器可以实现更小的体积，甚至可以被消费者放在家里，让消费者获得更清洁、更便宜的电力，这对于实现碳中和的目标非常有帮助。

而且产品的技术成熟度还是大大提高空

虽然宽带隙半导体在节能减排方面的应用前景已经得到业界认可，但要真正在“双碳”战略中发挥作用，技术指标和产品成熟度还需要不断提高。

“宽禁带半导体产品应继续加强和深化开发，提高效率指标，同时降低有效体积，提高散热能力。在产品成熟度和制造成熟度方面，还有进一步优化的空间空。”任勉说。

“为了更有效地帮助碳中和，我们需要优化能效并降低能耗。碳化硅应进一步降低正向压降，以减少损耗。氮化镓需要提高产品的稳定性和一致性。”袁光明指出。

具体来说，电压和频率是提高宽带隙半导体性能和扩展其应用的关键。以氮化镓为例，提高电压上限会扩大氮化镓的应用领域。频率上限的提高将加速氮化镓产品的标准化和产业化。

“未来，电动汽车的电池系统电压将从目前的400V提高到800V，氮化镓器件的电压将从650V提高到1200V，可以满足电动汽车的需求。同时，氮化镓频率上限的提高将促进电源形式的改变，使氮化镓电源的模块化和标准化成为可能，实现产能的提高和成本的降低，这将为氮化镓的发展带来更多的可能性。”纳米半导体高级应用总监黄秀成向记者指出。

在产业链合作方面，氮化镓器件的性能探索需要控制器等厂商的密切配合。黄秀成指出，氮化镓的开关频率已经达到1MHz~2MHz，但控制器的指标迭代还没有完成。纳米也在与相关厂商紧密合作，帮助控制器向高频方向发展，带来更加精细高效的氮化镓电源解决方案。(记者张欣怡)

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