碳化硅寫入十四五規(guī)劃,快充市場(chǎng)成為第三代半導(dǎo)體突破口
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作者:佚名
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發(fā)布時(shí)間: 2021-06-21
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2020年,當(dāng)大多數(shù)快充電源廠商還在65W氮化鎵快充市場(chǎng)探索時(shí),倍思開創(chuàng)性的推出了業(yè)界首款120W氮化鎵+碳化硅快充充電器。也正是這款產(chǎn)品,第一次將“碳化硅快充”從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),開啟了碳化硅在快充領(lǐng)域商用的大門。
2020年,當(dāng)大多數(shù)快充電源廠商還在65W氮化鎵快充市場(chǎng)探索時(shí),倍思開創(chuàng)性的推出了業(yè)界首款120W氮化鎵+碳化硅快充充電器。也正是這款產(chǎn)品,第一次將“碳化硅快充”從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),開啟了碳化硅在快充領(lǐng)域商用的大門。
隨后,MOMAX、REMAX等廠商陸續(xù)跟進(jìn),基于碳化硅推出多款百瓦級(jí)大功率快充電源,也讓越來(lái)越多的業(yè)內(nèi)人士和消費(fèi)者對(duì)碳化硅有了更進(jìn)一步的了解。
一、官宣:碳化硅寫入十四五規(guī)劃
2021年3月13日,新華網(wǎng)刊登了《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》,其中“集成電路”領(lǐng)域,特別提出碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體要取得發(fā)展。
碳化硅和氮化鎵都屬于第三代半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體材料,能夠在“十四五規(guī)劃”中提名,足以說(shuō)明其重要程度已經(jīng)上升到了國(guó)家的層面。相信在國(guó)家的助推下,國(guó)內(nèi)將迅速形成適合第三代半導(dǎo)體發(fā)展的環(huán)境,前景十分值得期待。
二、碳化硅用于快充的優(yōu)勢(shì)
碳化硅(SiC)是碳和硅的化合物,碳化硅單晶材料目前采用物理氣相輸運(yùn)(PVT)法,在超過2000℃的高溫下,將碳粉和硅粉通過高溫分解成原子,通過溫度控制沉積在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶體。
作為第三代半導(dǎo)體材料,碳化硅(SiC)與硅(Si)相比,介電擊穿強(qiáng)度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導(dǎo)率更高。因此,當(dāng)用于半導(dǎo)體器件中時(shí),碳化硅器件擁有高耐壓、高速開關(guān)、低導(dǎo)通電阻、高效率等特性,有助于降低能耗和縮小系統(tǒng)尺寸。
碳化硅可以廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、逆變器、軌道交通、太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電、消費(fèi)類電源等領(lǐng)域。近年來(lái),隨著USB PD快充技術(shù)的普及和氮化鎵技術(shù)的成熟,大功率快充電源市場(chǎng)逐漸興起,碳化硅二極管也開始在消費(fèi)類電源市場(chǎng)中嶄露頭角,進(jìn)入了多款百瓦級(jí)大功率快充供應(yīng)鏈,助力快充電源實(shí)現(xiàn)更高的效率和更小的體積。
充電頭網(wǎng)了解到,在大功率快充電源產(chǎn)品中,碳化硅二極管主要用于PFC級(jí)的升壓整流;搭配氮化鎵功率器件,可以將PFC級(jí)的工作頻率從傳統(tǒng)快充的不足100KHz提升到300KHz,由此減小升壓電感體積,實(shí)現(xiàn)高功率密度的設(shè)計(jì),同時(shí)也讓電源的效率得到了大幅提升。
開關(guān)電源中,由于整流后采用大容量的濾波電容,呈現(xiàn)容性負(fù)載,而在電容充放電時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量高次諧波,產(chǎn)生污染和干擾,人們開始在開關(guān)電源中引入PFC電路,功率在75W以上的開關(guān)電源強(qiáng)制要求加入PFC電路以提高功率因數(shù),修正負(fù)載特性。
PFC分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式采用大電感串聯(lián)補(bǔ)償,主要缺點(diǎn)是體積大,且效率低。隨著近年來(lái)半導(dǎo)體器件迅猛發(fā)展,被動(dòng)式PFC被主動(dòng)式PFC全面取代。主動(dòng)式PFC采用PFC控制器、開關(guān)管、電感和二極管組成升壓電路,具有體積小,輸入電壓范圍寬,功率因數(shù)補(bǔ)償效果好的優(yōu)點(diǎn)。
因此,碳化硅在消費(fèi)類電源領(lǐng)域的關(guān)注度越來(lái)越高,并逐漸成為了大功率快充產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
三、快充市場(chǎng)碳化硅供應(yīng)商
充電頭網(wǎng)通過調(diào)研了解到,目前市面上可用于大功率USB PD快充電源領(lǐng)域的碳化硅有六家供應(yīng)商,分別是APS飛锃半導(dǎo)體、BASiC Semiconductor 基本半導(dǎo)體、Global Power泰科天潤(rùn)、Maplesemi美浦森、SGKS森國(guó)科以及PY平偉。
以下排名不分先后,僅按照品牌首字母排序,方便讀者查閱。
APS 飛锃半導(dǎo)體
APS是大中華區(qū)域首家成功地使用6英寸生產(chǎn)碳化硅器件制造商,產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。APS的前身創(chuàng)立于香港的創(chuàng)能動(dòng)力,2020年進(jìn)行重組,以飛锃半導(dǎo)體(上海)有限公司作為APS的新總部。
公司愿景是利用APS在硅片和專用SiC晶圓廠中運(yùn)行的專有SiC工藝,為客戶提供優(yōu)化的 SiC產(chǎn)品,為中國(guó)提供綠色能源。APS利用低成本的硅片晶圓廠和最佳半導(dǎo)體 制造設(shè)備,在無(wú)高資產(chǎn)廠房與設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)SiC量產(chǎn)。
據(jù)報(bào)道,飛锃半導(dǎo)體推出的碳化硅二極管ACD06PS065G,可用于太陽(yáng)能逆變器,AC/DC轉(zhuǎn)換器,DC/DC轉(zhuǎn)換器和不間斷電源等。值得一提的是,該器件還參與了業(yè)界首碳化硅+氮化鎵快充的開發(fā),讓碳化硅正式在消費(fèi)類電源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用。
BASiC Semiconductor 基本半導(dǎo)體
深圳基本半導(dǎo)體有限公司是中國(guó)第三代半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè),專業(yè)從事碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化,在深圳南山、深圳坪山、南京浦口、北京亦莊、日本名古屋設(shè)有研發(fā)中心。公司擁有一支國(guó)際化的研發(fā)團(tuán)隊(duì),核心成員由劍橋大學(xué)、清華大學(xué)等知名高校的十余位博士組成。
基本半導(dǎo)體掌握國(guó)際領(lǐng)先的碳化硅核心技術(shù),研發(fā)覆蓋碳化硅功率器件的材料制備、芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝測(cè)試、驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)全鏈條,先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級(jí)可靠性測(cè)試的1200V碳化硅MOSFET、車規(guī)級(jí)全碳化硅功率模塊等系列產(chǎn)品,性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,應(yīng)用于新能源、電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通、工業(yè)控制、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。
基本半導(dǎo)體先后參與發(fā)起“廣東省未來(lái)通信高端器件創(chuàng)新中心”、“深圳第三代半導(dǎo)體研究院”,獲批中國(guó)科協(xié)產(chǎn)學(xué)研融合技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)體系第三代半導(dǎo)體協(xié)同創(chuàng)新中心,產(chǎn)品榮獲“中國(guó)芯”優(yōu)秀技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)、中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽專業(yè)賽一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。
Global Power泰科天潤(rùn)
泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技(北京)有限公司是中國(guó)碳化硅(SiC)功率器件產(chǎn)業(yè)化的倡導(dǎo)者之一。泰科天潤(rùn)致力于中國(guó)半導(dǎo)體功率器件制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并向全球功率器件消費(fèi)者提供優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)品和專業(yè)服務(wù)。
泰科天潤(rùn)在北京擁有一座完整的半導(dǎo)體工藝晶圓廠,并在湖南瀏陽(yáng)建成6英寸碳化硅功率芯片生產(chǎn)線,可在4/6英寸SiC晶圓上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造工藝。作為國(guó)內(nèi)碳化硅研發(fā)生產(chǎn)和平臺(tái)服務(wù)型公司,泰科天潤(rùn)的產(chǎn)品線涉及基礎(chǔ)核心技術(shù)產(chǎn)品、碳化硅成型產(chǎn)品以及多套行業(yè)解決方案。
目前泰科天潤(rùn)的碳化硅器件650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A等系列的產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn),并推出了兩款快充PFC電路專用的碳化硅二極管,產(chǎn)品質(zhì)量完全可以比肩國(guó)際同行業(yè)的先進(jìn)水平。
泰科天潤(rùn)通過與產(chǎn)業(yè)同行、科研院所、國(guó)內(nèi)外專家共同探索與開發(fā),正在將SiC功率器件推廣到更多更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
Maplesemi美浦森
美浦森半導(dǎo)體成立于2014年,是一家集研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體的完整型產(chǎn)業(yè)鏈公司,國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè),主營(yíng)功率MOS、中低壓MOS、超結(jié)MOS、碳化硅MOS、碳化硅二極管等系列產(chǎn)品。
美浦森半導(dǎo)體專注于設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試和銷售基于先進(jìn)的 Planar VDMOS、Trench MOS、SJMOS、SiC SBD、SiC MOS等工藝結(jié)構(gòu)的功率器件產(chǎn)品。以消費(fèi)類電子、工業(yè)領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域等為市場(chǎng)目標(biāo),致力成為世界一流的功率元器件公司。
據(jù)了解,美浦森推出了PFC電路專用碳化硅二極管,具備650V耐壓和175度的耐溫,目前已經(jīng)進(jìn)入MOMAX和REMAX兩大知名配件品牌供應(yīng)鏈,性能獲得客戶一致認(rèn)可。
SGKS森國(guó)科
深圳市森國(guó)科科技股份有限公司成立于2013 年11 月,屬于無(wú)晶圓半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)。公司總部設(shè)在深圳市南山區(qū)科技生態(tài)園,在深圳、成都設(shè)有研發(fā)及運(yùn)營(yíng)中心。
森國(guó)科成立以來(lái),推出了Vision-ADAS(高級(jí)輔助駕駛)、AI記錄儀、電源系列芯片,在汽車及消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。2018年公司開始投入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片與SiC功率器件的開發(fā),2020年產(chǎn)品已經(jīng)開始在市場(chǎng)暫露頭角。
森國(guó)科在4G記錄儀、ADAS、智能貓眼門鈴等市場(chǎng)提供整體芯片與系統(tǒng)解決方案,為客戶提供一站式服務(wù),為上下游合作伙伴創(chuàng)造更多機(jī)會(huì)。
PY平偉
重慶平偉實(shí)業(yè)股份有限公司是一家集芯片設(shè)計(jì)、封測(cè)、應(yīng)用與可靠性檢測(cè)服務(wù)一體化的功率半導(dǎo)體IDM產(chǎn)品公司。公司以功率半導(dǎo)體器件為產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),面向智能終端、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車、5G通訊、家電、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、安全電子、綠色照明等市場(chǎng)領(lǐng)域,建立了產(chǎn)品開發(fā)、制造和測(cè)試平臺(tái),提供高可靠性的中低壓和高壓功率器件、模塊等產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。
平偉位于重慶市梁平工業(yè)園區(qū),專業(yè)生產(chǎn)各類半導(dǎo)體器件,包括整流二極管、快恢復(fù)二極管、TVS、齊納二極管、肖特基、整流橋、MOSFET、IGBT、同步整流器件、SiC及GaN器件等,占地面積24萬(wàn)平方米,注冊(cè)資金3.5億元,總投資超過15億元。
公司擁有45條封裝生產(chǎn)線和6條中試生產(chǎn)線,建設(shè)有自主可控半導(dǎo)體離散型智能制造車間,年產(chǎn)銷各類功率半導(dǎo)體器件200億只,是國(guó)內(nèi)超大的電源配套功率半導(dǎo)體器件綜合供應(yīng)商。
針對(duì)大功率PD快充的PFC整流電路應(yīng)用,平偉推出了一款碳化硅二極管PASC0665GG,具有零反向恢復(fù)/零正向恢復(fù)特性、高效運(yùn)行、切換速度極快、不受溫度影響的開關(guān)特性。
四、碳化硅快充案例
憑借其獨(dú)特的屬性,碳化硅已經(jīng)開始在大功率、高密度快充電源中嶄露頭角,獲得眾多快充電源企業(yè)青睞。充電頭網(wǎng)通過往期的拆解了解到,目前已有倍思120W快充、MOMAX 100W 快充,以及REMAX 100W快充率先導(dǎo)入了碳化硅技術(shù),從而也讓產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。
1、Baseus倍思2C1A 120W氮化鎵充電器
2020年2月25日,倍思推出全球第一款氮化鎵+碳化硅 (GaN+SiC) 充電器,并在kickstarter眾籌成功。該產(chǎn)品功率高達(dá)120W,并且同樣搭配2C1A多口輸出配置。倍思Galio 120W充電器中使用的氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)是目前最為先進(jìn)的電子半導(dǎo)體材料,它們具有高頻率特性在高電壓大電流傳輸方面具有優(yōu)勢(shì),這意味著可以達(dá)到更高的效率,更低的發(fā)熱量和更小的體積。
據(jù)了解,倍思Galio 120W充電器在PFC整流電路中采用了一顆來(lái)自Alpha Power的碳化硅二極管,產(chǎn)品型號(hào):ACD06PS065G;搭配納微氮化鎵功率器件,由安森美PFC控制器進(jìn)行主動(dòng)式功率因數(shù)校正。
2、MOMAX摩米士100W 2A2C氮化鎵快充充電器
摩米士100W 2A2C氮化鎵充電器機(jī)身方正扁平,配備可折疊插腳,而且從插腳設(shè)計(jì)來(lái)看,還支持組裝其它規(guī)格插腳,便攜且適用于各個(gè)地區(qū)。充電器支持QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD和PPS快充協(xié)議,并將兩類接口設(shè)計(jì)成支持盲插使用,用戶無(wú)需刻意尋找快充接口,使用方便。接口支持100W、65W+30W、華為22.5W快充,支持廣泛,實(shí)用性強(qiáng)。整個(gè)產(chǎn)品集便攜、易用于一身。
MOMAX這款充電器采用美浦森MSD06065V1碳化硅二極管配合英諾賽科INN650D2氮化鎵開關(guān)管以及恩智浦PFC控制器進(jìn)行主動(dòng)功率因數(shù)校正。據(jù)了解,美浦森MSD06065V1是一顆650V耐壓的碳化硅肖特基二極管,TO252封裝。
3、REMAX睿量100W 2A2C氮化鎵快充充電器
REMAX 100W 2A2C氮化鎵充電器采用白色機(jī)身殼,表面啞光處理,整體看去非常簡(jiǎn)潔。充電器配有2A2C共4個(gè)接口,支持多種常見快充協(xié)議,USB-C口和USB-A口分別具備單口最大100W和30W輸出,并支持多口同時(shí)快充,可以滿足筆記本電腦、手機(jī)、平板、移動(dòng)電源等多種設(shè)別的充電需求。
充電頭網(wǎng)通過拆解了解到,這款充電器內(nèi)置PFC升壓電路,采用LLC+GaN高性能架構(gòu)。PFC升壓部分采用恩智浦控制器,并選擇美浦森MSD04065G1碳化硅二極管以及英諾賽科INN650D2氮化鎵開關(guān)管進(jìn)行整流。美浦森MSD04065G1是一顆650V耐壓的碳化硅肖特基二極管,TO252封裝。
充電頭網(wǎng)總結(jié)
在傳統(tǒng)的PD快充電源中,尤其是百瓦級(jí)大功率PD快充,效率一直都是電源工程師亟待解決的問題;而為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性,多數(shù)充電器不得不犧牲體積,加入大面積散熱片。這也讓產(chǎn)品變得十分笨重,用戶體驗(yàn)并不完美;直至第三代半導(dǎo)體在消費(fèi)類電源領(lǐng)域正式商用,這一情況才得以緩解。
在百瓦大功率快充產(chǎn)品中,碳化硅和氮化鎵可謂是最佳拍檔,二者搭配用于電源前級(jí)PFC升壓和整流,相對(duì)于傳統(tǒng)硅器件,不僅效率提升能得到立桿剪影的效果,而且可以利用其高頻特性縮小升壓電感體積,從而提高產(chǎn)品整體的功率密度。
隨著大功率設(shè)備數(shù)量的不斷增加,市場(chǎng)對(duì)小體積、大功率多口快充的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。一方面促進(jìn)電源架構(gòu)從常規(guī)的QR向高性能的PFC+LLC轉(zhuǎn)型,另一方面也加深了快充電源對(duì)第三代半導(dǎo)體的依賴,碳化硅在消費(fèi)類電源領(lǐng)域的應(yīng)用前景更為廣闊。
作為第三代半導(dǎo)體的重要分支,碳化硅在此之前已經(jīng)在多家廠商中投產(chǎn),而本次國(guó)家將第三代半導(dǎo)體列入十四五規(guī)劃,這對(duì)于碳化硅的發(fā)展來(lái)說(shuō)更是一次難得的時(shí)代機(jī)遇。