新基建驅(qū)動(dòng)電力電源的技術(shù)升級(jí)

　　王 瑩 （《電子產(chǎn)品世界》，北京 100036）

　　編者按：我國(guó)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)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、充電樁、5G手機(jī)等需要哪些新電力與電源器件？

　　1 工業(yè)電源市場(chǎng)的增長(zhǎng)點(diǎn)

　　據(jù)IHS Markit預(yù)測(cè)，2018—2021年，生產(chǎn)和過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化、電力和能源、醫(yī)療設(shè)備、樓宇和家居控制市場(chǎng)的年均增長(zhǎng)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）的同期年均增長(zhǎng)率接近19％。

　　在工業(yè)市場(chǎng)中，電源類產(chǎn)品占有超過(guò)25%的份額，且市場(chǎng)對(duì)電力與電源的需求正在上升。有數(shù)據(jù)顯示，2020—2030年，電力與電源需求將增長(zhǎng)30％。與此同時(shí)，世界各國(guó)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(lái)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)雜性和差異化的特點(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，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)/綜合數(shù)據(jù)分析，而這需要高水平的計(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、充電器等。②由于在復(fù)雜的物流倉(cāng)庫(kù)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(wú)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(wú)線充電是此類應(yīng)用的未來(lái)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(wèn)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(lái)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 ℃。但是封裝限制了性能的發(fā)揮，塑料外殼或框架不支持這個(gè)溫度。因此，現(xiàn)在一般將SiC產(chǎn)品的工作溫度限制在200 ℃以下。

　　SiC器件非常適合在極其惡劣和極差的環(huán)境下工作。如果需要工作在非常狹小的空間，而沒(méi)有足夠的散熱空間，那么最好使用SiC MOSFET。

　　此外，SiC開(kāi)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(guó)市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車等商品中，可能永遠(yuǎn)無(wú)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(wú)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，例如電信設(shè)備、供電站和充電站，以及太陽(yáng)能等。

　　2）GaN

　　GaN器件也有一定的市場(chǎng)空間。GaN的優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)關(guān)頻率很高。這意味著可以使用尺寸更小的無(wú)源元件，因此如果需要減小外形尺寸，例如手機(jī)充電器或人們不想攜帶大尺寸的產(chǎn)品，這時(shí)GaN將發(fā)揮重要作用。

　　不過(guò)，直到今天，GaN仍然不能支持很高的電壓。

　　例如盡管有這方面的研究，但在1 200 V市場(chǎng)上還沒(méi)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(kāi)關(guān)損耗的需求。

　　可以肯定的是，GaN將在未來(lái)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)用的滲透率還較低。例如，GaN先是用于充電器、電源適配器，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的工業(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(lè)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2 500萬(wàn)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 ST的直流充電樁SiC解決方案

　　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，可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(lái)微不足道，但這不僅是數(shù)字的問(wèn)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從總擁有成本角度看，每個(gè)電路板每年可節(jié)省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？首先因?yàn)镾iC板的無(wú)源元件成本較低，因此，整個(gè)電路板的BOM（物料清單）成本略高出20%~30%。其次，由于能效提高0.5%，對(duì)于350 kW的高功率充電樁/充電站，假設(shè)只運(yùn)行半天，則節(jié)省的能源是：

　　350 kW × 12 h × 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 × 365 × 5= 38.3 MW·h

　　在中國(guó)，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

　　38.3 MW·h × 0.09美元/kW÷24=143.6美元≈150美元

　　這說(shuō)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幅很不起眼。另外，中國(guó)可能需要100萬(wàn)座350 kW充電樁的充電站，這將節(jié)省可觀的電能。

　　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—— 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。該產(chǎn)品采用GaN FET半橋驅(qū)動(dòng)和SiP，因此整個(gè)方案的尺寸相當(dāng)于1元硬幣的大小， 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)。

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第1頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）