半导体技术赋能绿色未来

目前，随着全球气候变化问题越趋严重，包括全球升温导致的冰川融合以及物种灭绝等，而造成这些问题最主要的原因就是碳的排放。这些环境问题的解决已经刻不容缓，因此，全球许多国家都提出了他们各自的碳达峰和碳中和目标，即所谓的双碳目标。我国设立的双碳目标为：2030年碳达峰、2060年碳中和。

而实现双碳目标最重要的就是能源的转换，即从传统的石油、煤炭等化石能源，向新能源转换，如太阳能、风能等。而这样的转型即带来了很多机遇也同时存在着很多挑战。

ADI中国区工业市场总监蔡振宇在2024第四届国际绿色能源生态发展峰会上表示：“根据全球能源机构做的一个调研，2023年我们在新能源转型上所花费资金大约为17,000亿美金，到2030年这一数字会接近5万亿美金。2023年，中国在新能源方面的投入就达7600亿美金，占全球38%的比例，可以说是遥遥领先了。”

而在新能源转型过程中，半导体技术则扮演了一个较为重要的角色，尤其是第三代半导体材料制成的功率器件（如SiC和GaN）则尤为重要。意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部市场和应用副总裁Francesco MUGGERI表示：“SiC器件因为其具有的诸多优势，如高电压、更快的开关速度等，让它被越来越多的领域采用，它对于实现能源效率至关重要。”

ST在SiC MOSFET领域布局多年，并具有许多独特的技术，如MDSiC和SmartSiC等，目前已经处于市场领先位置。目前，ST的SiC MOSFET器件在汽车和工业领域的市场份额已经超过50%。

作为国内的初创型功率半导体设计公司，蓉矽半导体副总裁、研发中心总经理高巍也在大会上分享了他们最近的产品研究成果。高巍表示，“目前，中国绿色能源发展的重点领域分别为电力、工业和交通，而针对这三个领域，我们需要从风光绿色能源、高效电力设备、新能源车这三个方面来解决碳排放问题，而支撑这三个方面发展的核心就是功率半导体器件。”

目前，风光储能系统对于半导体功率器件所需的电压范围为1200V-3000V，近几年，新型的1500V储能系统成为主流，而它对碳化硅功率器件提出了2000V的耐压等级。目前蓉矽半导体已经推出了2000V的SiC功率器件系列，主要针对的应用就是1500V的储能系统。

另外，针对绿色交通能源部分，汽车的电动化会是未来的一个主要趋势，而从400V向800V平台的过渡，也会对碳化硅功率器件的性能要求进一步提升。针对这一趋势需求，蓉矽半导体创新的M-MOS技术，可助力EV与EV充电桩实现更高效率和可靠性。

英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级技术总监陈立烽表示：“未来的发展需要更多的能源，未来的发展也需要更清洁、更高效的能源，这些都是碳化硅能够赋予的。英飞凌作为SiC功率器件领域的领先厂商，已经从事SiC技术的相关研发有二十几年的历史了，从SiC功率器件的设计、生产以及材料方面也都掌握了一些关键技术。SiC也是英飞凌的战略核心。”

从技术上而言，英飞凌的沟槽栅技术就是一项独特的技术，另外，.XT技术则是针对SiC的封装技术，再细分来说，它是一项烧结技术，它可以改善散热，并提高可靠性；从产能上而言，目前全球的SiC产能还是不足的，随着它应用的不断扩大，SiC产能问题在未来可能会越发突出。据陈立峰介绍，英飞凌在过去三年也在扩大SiC产能上进行了很多投资。

而安森美中国碳化硅首席专家及汽车应用技术负责人吴桐博士认为，目前SiC技术发展还面临的一个痛点是垂直整合的能力，即从SiC衬底、外延，到SiC芯片设计与制造的整个过程的整合能力非常重要，每个环节都要有自己的Know-How和需要迭代的过程。

据吴桐介绍，安森美为了能在SiC领域获得更好的发展，在每个领域都进行了很多投资，如针对衬底和外延，2021年，安森美以4.15亿美元收购了碳化硅衬底材料公司GTAT；在芯片设计和制造环节，安森美的表现也是可圈可点，包括最终的封装，安森美也会自己进行。吴桐表示，我们是从front end to back end，这样会对产品的质量和产能都有一个很大的保证。

目前，安森美也是业界唯一一家可以实现SiC和IGBT两条垂直整合产品线的厂商。

除了SiC，GaN也是诸多厂商布局的第三代半导体材料。GaN和SiC是两种互补第三代半导体材料。陈立峰表示：“在电压相对较低的范围，如40V-650V，GaN具有更高的频率，而在600V以上，SiC则更为合适。对于英飞凌来说，GaN技术可以丰富我们的功率器件产品线。”

近几年，英飞凌在GaN技术上也进行了很多投资，如在去年10月以8.3亿美元收购了氮化镓系统公司（GaN Systems）。也因为有了GaN技术的，英飞凌延伸了从100V至2kV的第三代半导体各个系列。

另一厂商ST也在GaN领域雄心勃勃，Francesco Muggeri表示：“GaN器件在诸多领域的应用都存在着很多优势，如高频率以及高功率密度等。它也可以让器件的尺寸大大缩小。”

当然，要实现最终能效的提高，不仅需要有更先进的SiC和GaN器件，也需要很多其它器件和技术的辅助，如驱动它们的门极驱动器。博通隔离产品事业部产品经理陈红雷在大会上就介绍了博通适用于SiC和GaN功率器件的隔离光耦器件。

陈红雷表示：“光耦产品是比较新兴的市场应用，但它在未来的新能源转型过程中，也能贡献一份力，它可以应用于发电侧、消费端、电力能源生产端等方面。”

他强调：“应用于SiC和GaN的隔离产品需要具备传输延迟时间短，需要比较高的CMDI以及操作温度等方面的要求。博通的新一代产品ACFJ-3161和ACFJ-3262就是很好适用于这些需求的产品，另外他们的驱动电流也非常大，达到了10A。”

新能源转型过程还有一个重要的环节就是储能，在这其中，电池管理方案（BMS）就是很关键的一个应用。ADI在这一块拥有非常好的技术积累和产品组合。据蔡振宇介绍，ADI之前收购了凌力尔特和美信两家公司，这两家公司很早就开始BMS产品的研发和迭代。另外，ADI也在2020年左右成立了中国的研发和技术团队，独立开发出了一款新的、基于中国储能应用的BMS芯片。目前，全球有超过65GW的储能都使用了ADI的BMS芯片。

除了电池管理外，ADI针对新能源应用的技术平台还有转换和存储两块，可以说ADI针对新能源领域的开发平台是较为全面的。

Qorvo BMS专家刘明认为：“目前，在整个BMS或电池相关的领域，有两个趋势比较重要，一是安全；二是更长的运行时间。”Qorvo的电池管理IC针对当今使用锂离子或锂聚合物电池的超紧凑电池供电设备，提供完全集成式可配置单芯片解决方案。这些独特的片上系统(SoC)解决方案拥有众多优点，包括出色的设备性能、低廉的成本和小巧的设计尺寸、先进的电池保护和快速上市时间。

北京智芯微电子科技有限公司模拟芯片设计中心副总经理王峥认为：“BMIC是一个新兴市场，但发展迅猛。据QYResearch前年的数据显示，受益于储能和电动汽车市场的快速增长，2023年-2028年，BMS市场将保持20%以上的增长速度。”

他表示：“目前的BMIC市场主要由国外厂商主导，近几年国内也涌现了一些不错的企业，但在更方面参数指标上还跟国外厂商的产品有一定差距。目前，智芯的BMS方案能够提供各种底层硬件、芯片设计以及驱动软件算法等，可以面向各类应用。”

双碳目标的设立推动了整个社会能源应用的转型，从而也给半导体器件尤其是第三代半导体功率器件带来了巨大的市场机遇。怎样抓住这一波市场机遇，是国内外公司都要思考的问题。独特的技术、完整的方案、良好的服务缺一不可，尤其对于国内公司而言，这是一个机遇也是一个考验。