憑借高效領(lǐng)先的功率半導體技術(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年實現(xiàn)二氧化碳排放量減少70%的目標,；到2030年,，將主要通過避免排放來實現(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)實世界與數(shù)字世界”的領(lǐng)導者與踐行者,，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,，認為這會給包括功率器件在內(nèi)的半導體產(chǎn)業(yè)提供更多的市場機會,。
IoT Analytics的最新報告印證了上述判斷。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,，復合年增長率高達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,；“計算”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,。
釋放功率半導體的魅力
之所以要特別聚焦功率半導體，是因為它是電能/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算結(jié)果和指令后，進行變頻,、變壓,、變流、功率放大和功率管理,，對設(shè)備正常運行起到關(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體。
作為同時擁有涵蓋硅器件和碳化硅,、氮化鎵兩種第三代半導體器件的全產(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）
·電機控制
電機控制系統(tǒng)是功率半導體器件在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中最典型的應用場景之一,。在傳統(tǒng)的電機控制中,，當主控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，即從感應電機向BLDC/PMSM電機轉(zhuǎn)變,，電機本體能效提升,，功率器件開關(guān)高頻化，功率器件發(fā)熱量低,，溫升?。欢切⌒突?，主要體現(xiàn)在PCBA,、散熱器減小，功率器件封裝減??；三是智能化，通過雙核,，可以實現(xiàn)AI智能分析,，提升系統(tǒng)效率功能，并實現(xiàn)遠程控制,。
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,、可維護性,、用戶體驗影響，未來BLDC/PMSM無刷電機將持續(xù)替換有刷電機,，市占率將進一步提升,。
·機器人
以工業(yè)機器人、服務(wù)機器人為代表的機器人行業(yè),，是一個擁有巨大潛力的市場,，涉及功率管理、電機控制,、安全性,、通信、環(huán)境感知,、定位和狀態(tài)感知等多項技術(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
當前,，真空吸塵器,、掃地機器人、吹風機,、榨汁機/攪拌機,、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現(xiàn)更高功率,，或以更小體積實現(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,，同時集成監(jiān)測和控制,，簡化設(shè)計導入,，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，它們也同樣強調(diào)智能化,、小體積,、強功能、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,、冰箱,、真空吸塵器、壓縮機等多種應用場合中的控制變頻器,。
此外,，為了加快冰箱、洗衣機等較大型家用電器的壓縮機設(shè)計,，英飛凌最新還推出了逆導型IGBT的壓縮機評估板或采用CoolMOS? MOSFET的壓縮機評估板,，兩者都使用了集成電機控制器和柵極驅(qū)動器的iMOTION?驅(qū)動器。
·智能樓宇
經(jīng)濟增長和氣溫升高是全球電力消費增加的主要原因,。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準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電機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或風扇控制，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)計的,，尤其適用于通常以中等開關(guān)頻率工作的電機驅(qū)動應用。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
乘風破浪的第三代功率半導體
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、熱導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體具有高耐壓,、低導通電阻,、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性，當應用于開關(guān)電源領(lǐng)域中時,，具有損耗小,、工作頻率高、散熱性等優(yōu)點,，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用,。因此,，在600V和650V電壓等級，CoolMOS,、CoolSiC和CoolGaN是可以實現(xiàn)共存的,。
Si、SiC和GaN在600V和650V電壓等級的價值主張
那么在實際應用中,，面對Si,、GaN和SiC三種器件共存的情況，IC廠商及產(chǎn)品設(shè)計師又該如何進行選擇,？從總的應用趨勢看,，傳統(tǒng)的硅材料開發(fā)時間最久,，技術(shù)成熟度最高，產(chǎn)品范圍最廣也最完善,，性價比最高,，未來依然會是各個功率轉(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個型號針對客戶的創(chuàng)新需求進行了開發(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)制定的目標是到本世紀20年代中期,，SiC產(chǎn)品的銷售額達到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，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)基準的功率密度，可在整個輸入和輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)最高的效率水平,，同時采用小尺寸設(shè)計,。
結(jié)語
“日新月異，行而不輟”,。
從碳達峰到碳中和,，無疑是需要付出艱苦努力的。對于半導體行業(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,。
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