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：***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《***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《***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。往年，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。

往年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《***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往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，往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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