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伴随新能源多应用市场的蓬勃发展，第三代半导体技术对新质生产力的支撑作用日益增强。以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体已成为绿色能源产业发展的重要推动力，帮助实现更高的功效、更小的尺寸、更轻的重量、以及更低的总成本。作为全球功率系统领域的半导体领导者，英飞凌在第三代半导体如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）领域持续布局，通过技术创新、产能扩张及市场应用拓展，为光储、智能家居、新能源汽车等低碳化趋势下的关键行业提供了高性能的功率半导体解决方案，推动了行业的绿色转型和可持续发展。
近日，全球功率系统和物联网领域的半导体领导者英飞凌携广泛的功率及电源类半导体产品亮相“2024慕尼黑上海电子展”。以“低碳化和数字化推动可持续发展”为主题，全面展示了英飞凌在绿色低碳可持续技术领域的深厚积淀，以及在绿色能源与工业、智能家居、电动汽车等应用市场的创新解决方案。
在展会期间，英飞凌还首次举办“2024英飞凌宽禁带论坛”，聚焦于第三代半导体新材料、新应用的最新发展成果，与行业伙伴共同探讨宽禁带领域的应用与发展，携手推动低碳化和数字化的发展进程。
在9日上午的主论坛开场致辞中，英飞凌科技全球高级副总裁及大中华区总裁、英飞凌科技消费、计算与通讯业务大中华区负责人潘大伟指出，“半导体解决方案是实现气候目标的关键，宽禁带半导体能显著提升能源效率，推动实现低碳转型。”在当前绿色低碳化的大背景下，以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体作为新材料和新技术已开始广泛应用于新能源、电动汽车、储能、快充等多个领域。作为行业领导者，英飞凌凭借持续的技术革新与市场布局，在宽禁带半导体领域发挥着引领作用，致力于满足经济社会发展对于更高能效、更环保的半导体产品的需求。“
潘大伟接着介绍了全球气候变化的严峻形势，指出碳排放日益增加，全球温度不断升高。他强调，在这样的背景下，宽禁带半导体材料如碳化硅和氮化镓，因其在节能方面的优越性能，成为解决气候问题的重要使能技术。需要指出的是，宽禁带半导体器件具有体积小、功耗低、高能效等特性，可以大幅提升能源使用效率，从而减少碳排放。
他进一步说明，英飞凌在全球功率系统领域处于领先地位，尤其是在碳化硅和氮化镓技术上积累了丰富的经验。英飞凌在碳化硅领域拥有20多年的技术积累和应用经验，其全面的产品和解决方案组合广泛应用于光伏、储能、电机驱动、数据中心和通信电源、新能源汽车充电以及车载充电器等多个领域。潘大伟特别提到，英飞凌正在持续扩建马来西亚居林工厂，旨在将其打造为全球最大的200毫米(8英寸)碳化硅功率半导体晶圆厂，并计划在质量验证通过后的3年内全面过渡到200毫米(8英寸) 产能，以满足市场需求。
此外，英飞凌在去年成功收购了GaN Systems公司，这一收购进一步增强了其在氮化镓领域的竞争力。两家公司通过在技术和专利上的优势互补，使得英飞凌在氮化镓的产品开发和应用推广上更具优势。潘大伟指出，英飞凌和GaN Systems的结合，壮大了英飞凌自身的氮化镓产品阵容，目前英飞凌共有超过350个氮化镓技术专利族和450位氮化镓技术专家，极大地增强了其在宽禁带半导体领域的技术实力和市场竞争力。
潘大伟还提到，英飞凌未来将继续推进低碳化的公司愿景，通过与客户和合作伙伴的紧密合作，共同应对气候变化的挑战。英飞凌致力于通过高效的半导体技术，推动全球向低碳经济转型，创造一个更加环保和可持续的未来。
邱柏顺：全球碳化硅与氮化镓市场最新趋势及展望
Yole Group化合物半导体资深分析师邱柏顺从行业分析的角度向与会者分享了全球碳化硅与氮化镓市场最新发展趋势及展望。
邱柏顺指出，电气化是当前全球的一个关键趋势，所有设备都需要电力驱动，而半导体在其中起到重要作用。绿能再生能源，如光伏和风电，是未来的应用方向。此外，提高系统能效、减小设备体积和碳排放也是重要方向。
在这些趋势中，有几个项目值得注意。例如，未来的系统需要更高的功率密度，使得系统变得更小但功率更大。此外，混合解决方案将光伏、储能和充电整合在一起，实现更高集成度。智能化和数字化也是未来系统的发展趋势。
邱柏顺还深入探讨了功率应用的不同程度。从低功率应用，如手机和家电，到中功率应用，如汽车和工业，再到高功率应用，如光伏、风电和电网，碳化硅和氮化镓在这些不同的应用中都有巨大的市场潜力。
碳化硅在汽车行业的应用目前最为主流，未来将向更高功率发展。而氮化镓则从低功率应用，如手机充电器，逐步扩展到其他消费类产品，并希望在车载应用中取得突破。Yole Group预测，未来五年，氮化镓市场规模将达到22亿美元，而碳化硅市场规模将达到100亿美元。
邱柏顺表示，SiC 已逐渐在电动车主驱逆变器中扮演要角，2023年SiC全球市场已经达到27亿美元，其中汽车占据70%到80%的市场，未来随着电气架构将往800V迈进，而耐高压SiC 功率元件预料将成为主驱逆变器标配。此外，还有光伏、风电，这两个领域对SiC需求，未来可以占据15%到20%的市场份额。从全球来看，中国在新能源车市场上占有超过一半的份额，充电桩数量也远高于其他国家。欧洲和美国在推动新能源车方面也有明显增长，但仍落后于中国。
未来几年，800伏电动汽车市场将迅速增长，采用碳化硅方案的车型将逐渐增多。充电器市场方面，AC-DC和DC-DC拓扑结构将进一步发展，碳化硅在这些领域也将有更广泛的应用。
目前，全球有许多碳化硅生产制造工厂正在运行或建设中，包括意法半导体、英飞凌等公司在欧洲、美国、东南亚和中国都有布局。未来，从6英寸到8英寸的发展将是关键。氮化镓方面，手机充电器是目前最主要的应用市场，未来将扩展到更多的消费类和汽车应用。氮化镓在数据中心和AI服务器中的应用也有很大潜力，特别是在节能和高能效方面。
最后，从供应链角度看，IDM模式将在未来得到更广泛的应用和认可，特别是在车用半导体和数据中心等细分市场中，芯片厂商会普遍采用IDM模式。代工厂和无晶圆厂模式仍将存在，但整个行业的业务模式将逐渐向IDM模式倾斜。
宽禁带半导体加速“低碳化”和“数字化”范式变化
英飞凌科技副总裁、英飞凌科技消费计算与通讯业务大中华区市场营销负责人刘伟先生和英飞凌科技副总裁、英飞凌科技工业与基础设施业务大中华区市场营销负责人沈璐女士带来了主题演讲《宽禁带创新技术加速低碳化和数字化》。
基于在SiC领域的丰厚积累，英飞凌拥有40多年对SiC工艺制程、封装和失效机理的理解，全球最大的8英寸碳化硅功率晶圆厂以及业界最广泛的SiC产品组合、应用市场、客户群覆盖。尤其是推出的新一代CoolSiCTM MOSFET Gen2技术，与上一代产品相比，将MOSFET的主要性能指标（如能量和电荷储量）提高了20%，显著提升整体能效。
在GaN方面，自去年10月完成收购氮化镓系统公司（GaN Systems），目前英飞凌的氮化镓产品组合包括高压和中压的BDS、感测、驱动和控制系列，可广泛应用于AI服务器、车载充电器（OBC）、光伏、电机控制、充电器和适配器等。如在AI服务器领域，基于AI系统对更高功率的需求，进一步增加了半导体的使用量。
沈璐首先登台，她强调了2020年后全球面临的巨大不确定性，同时指出全球正在经历数字化和低碳化的范式变化。这一变革，不仅改变了技术发展的方向，也重塑了全球市场的格局。
沈璐展示了一组关于低碳化的数据：2023年7月成为人类历史上最热的一个月，但这一年也是全球可再生能源装机量大幅增长的一年，新增装机容量达到510吉瓦，同比增长50%。她特别提到，中国在2023年实现了可再生能源发电装机总量占全国总装机比重一半以上的里程碑。这表明，全球在降低二氧化碳排放方面已经达成共识，低碳化的实质是电气化，无论在发电端还是用电端。
根据国际能源署的预测，到2030年全球对于光伏装机量的总需求将达到5400吉瓦，是2023年全球光伏装机量的4倍。而新能源汽车的发展同样带来巨大的需求，预计到2030年全球新能源汽车销量将达到5400万辆，是2023年的3倍左右。沈路指出，这标志着全球可再生能源和新能源的发展才刚刚起航。
随后，沈璐详细讲解了碳化硅技术的应用前景。她提到，未来五年内，80%以上的碳化硅将应用于电动汽车相关领域，这其中就包括了车载充电器。同时，在光伏升压站和储能应用领域，碳化硅也展现出巨大的应用前景。碳化硅技术不仅能提升系统效率，还能降低系统体积，提高能源转换效率。沈璐指出，这对工商业场景中的储能应用尤为重要，碳化硅是帮助企业提升投资回报率的最佳技术。
沈璐继续介绍道，除了光伏和储能之外，碳化硅在不同电源应用场景、数据中心不间断电源、轨道交通牵引用电、热泵和燃料电池车的空气压缩机驱动等方面，也展现出不可替代的作用。
随后，刘伟分享了数字化的相关数据以及结合应用的深刻洞察。他强调，数字化已经深入到日常生活中的方方面面，并在电力消耗上提出了新的挑战。他指出，中国数据中心在2022年消耗了全国总用电量的3%左右，预计到2025年这一比例将提升至4-5%。此外，GPT-4的训练用电量达到了惊人的2亿度电，这相当于数万家庭一年的总用电量。
刘伟还提到，到2027年全球物联网终端设备将突破300亿个，这些设备对电力的需求将显著增加。他表示，人工智能的发展同样需要大量的能源，并引用数据表明，超过三分之二的碳排放来自能源的生产和使用。因此，提高能源的生产、传输、使用和存储效率，是全球节能减排的重要课题。英飞凌的宽禁带半导体技术将在电力转换和功率密度提升方面发挥关键作用。
接下来，刘伟详细介绍了氮化镓技术在各个领域的应用。他提到，氮化镓充电器因其高功率密度和高效率，已经成为市场上的主流产品，广泛应用于手机充电器和数据中心等领域。刘伟还指出，在电动汽车的OBC和DCDC应用场景中，氮化镓技术也展现出巨大的潜力，能够实现更高的功率密度和效率。
刘伟继续分享了英飞凌在氮化镓领域的战略和市场布局。他提到，英飞凌通过收购GaN Systems，极大丰富了其产品组合，能够覆盖广泛的电压范围且拥有多种封装技术，能够满足不同应用的需求。此外，英飞凌目前在氮化镓领域拥有超过350个氮化镓技术专利族，持续引领行业发展。他特别提到，英飞凌在奥地利和马来西亚设有自有制造工厂，同时也有外部代工合作伙伴，能够确保供应链的安全和稳定。
最后，刘伟总结道，氮化镓市场规模预计到2029年将超过22亿美元，英飞凌在这一领域的领导地位无可动摇。通过持续的技术创新和市场布局，英飞凌将在未来能源转换和数字化转型中发挥重要作用。
华中科大教授彭晗：宽禁带功率器件应用机遇和挑战
在一场聚集了众多电力电子领域专家的论坛上，华中科技大学教授、博士生导师彭晗女士以其深厚的学术背景和丰富的研究经验，为与会者带来了一场名为“宽禁带功率器件应用机遇和挑战”的主题演讲。她的演讲从电力电子半导体器件的发展历程开始，描绘了一个从传统硅基器件到如今宽禁带功率器件的技术演进过程。
彭晗教授指出，电力电子的发展经历了晶闸管、硅MOSFET和硅IGBT三个重要阶段。如今，随着技术的进步，宽禁带功率器件已经成为了新的核心。她详细介绍了宽禁带功率器件在击穿电压、饱和载流子速率、导热导电性能等方面的优越性，这些特性使其在高压、高温和高速场合具有明显的优势。她说：“宽禁带功率器件已经成为电力电子装备的一个主流器件，也推动着变换器向高频、高压和高效的方向发展。”
在市场规模上，彭晗教授特别提到了碳化硅器件。她分享了碳化硅器件在市场份额、渗透率和年复合增长率上的出色表现，并深入分析了碳化硅器件的两种主流结构：平面型和沟槽型。她解释道，平面型工艺相对简单，器件一致性好；而沟槽型由于无JFET区域，导通电阻和输入电容更小，特别适合高压大电流的应用场合。
接着，彭晗教授还详细讨论了氮化镓器件。她指出，氮化镓器件与传统的硅基器件有着显著的区别，其平面型结构和高载流子密度使其在导通电阻和开关速度方面表现突出。然而，氮化镓器件的耐击穿电压较低，短路耐受能力也不如其他器件，这些特性在某些应用场景中需要特别注意。
彭晗教授还对比了车规IGBT、碳化硅MOSFET和氮化镓器件的静态参数和输出特性，指出了各自的优缺点。她提到，IGBT在小电流下的导通压降较高，但在大电流下表现优异，适用于高温工作环境。而碳化硅MOSFET在小电流下的表现则优于IGBT，但在大电流下其导通电压较高。
在讲解完技术细节后，彭晗教授还分享了宽禁带功率器件在应用中的机遇和挑战。她强调，提高功率变换器的效率和功率密度，以及确保高可靠性，是宽禁带功率器件应用的重要方向。她以服务器电源为例，说明在AI技术日益发展的今天，提高能量效率的重要性，并指出在远洋航天等要求高的应用场合，高功率密度和高可靠性尤为关键。
然而，她也指出，宽禁带功率器件在实际应用中仍面临着许多挑战。例如，不同工况和时间尺度下的特性认识尚不全面，特别是在开关速度快、寄生参数高的情况下，电压电流过冲和电磁干扰的增强都是需要解决的问题。此外，宽禁带功率器件的老化和失效机制也需要进一步研究，以确保其在极端工况下的可靠性。
彭晗教授以中国能源局白皮书中的新型电力系统建设为例，展望了宽禁带功率器件在未来电力系统中的应用前景。她提出，在电力系统中使用新型功率器件，可以显著提升关键设备的容量、效率和经济性，这对未来电力系统的建设具有重要意义。
宽禁带让能源效率更上一层楼
在技术市场方面，英飞凌科技副总裁、英飞凌科技消费、计算与通讯业务大中华区技术市场负责人陈志豪和英飞凌科技高级技术总监、英飞凌科技工业与基础设施业务大中华区技术市场负责人陈立烽则从技术应用的角度介绍了英飞凌宽禁带产品如何助力能源效率提升。如Si 、SiC 和GaN三种半导体材料器件的技术特性对比，指出虽然硅超级结在低开关频率中占优，但SiC和GaN终将主导新型拓扑结构和高频应用；结合CoolSiC™和CoolGaN™的技术特性及优势，分别在不同领域的典型应用案例，如在公共电源转换（PCS）系统中采用SiC模块，可实现>99%的效率，CoolGaN™双向开关在微型逆变器中的应用等。
陈志豪先生首先提到，据Yole预测：到2028年，碳化硅和氮化镓的总价值将占功率半导体市场的30%以上。关键应用领域包括电动汽车、混动车、再生能源、快速充电和数据中心。英飞凌同时拥有碳化硅、氮化镓和硅衬底的功率器件，每种器件在不同的应用场景中展现出不同的优势。
陈志豪指出：“这几个领域，如电动汽车、混动车，再生能源，快速充电，数据中心，这些应用领域确定会是推动宽禁带半导体市场提升的主要动力。”他强调英飞凌在这些应用中不断创新和优化，以提高能源效率和系统性能。
陈立烽先生进一步解释了宽禁带半导体的应用。他详细讲解了几种拓扑架构，包括硬开关的拓扑架构（如PFC图腾柱），软开关的拓扑架构（如LLC），以及半桥拓扑架构。这些架构中，碳化硅和氮化镓器件在高频硬开关应用中表现出色。
他展示了一张应用图，详细描述了各类器件的性能和应用场景。例如，在PFC图腾柱的架构中，碳化硅和氮化镓器件因其优异的高频硬开关性能而被广泛应用。陈立烽解释说：“基本上没有办法使用传统硅器件在这种架构中达到所需的效率和功率密度，宽禁带器件则能够很好地解决这个问题。”
演讲中陈立烽提到，碳化硅和氮化镓在硬开关应用中具有显著优势，特别是在高频硬开关场景下。碳化硅在开关损耗和导通电阻方面表现优越，且不受温度影响。氮化镓在电压型和电流型控制应用中展现出不同的特性，适用于各种高效能应用。
陈立烽详细解释了氮化镓器件的两种控制类型：电压型控制和电流型控制。他指出：“电流型控制的氮化镓控制机制复杂一些，但在特定应用中能够提供更高的效率和性能。”这种细致的分析帮助与会者更好地理解不同类型宽禁带器件在各种应用中的优势。
陈立烽先生展示了碳化硅MOSFET在混合式太阳能逆变器中的应用，通过提高开关频率和减少损耗，实现了显著的效率提升。在不同开关频率下，使用CoolSiCTM，可将总半导体损耗降低约41%。这种显著的损耗减少，使得碳化硅器件在高频率应用中具有明显的优势。
他还分享了一个三电平ANPC架构的案例。在这种架构中，碳化硅器件展示出极高的效率，达到了99.35%。这种高效率使得碳化硅器件在高功率应用中成为理想选择。此外，碳化硅器件在温度稳定性和高频性能方面也表现出色，使其在各种复杂应用中具有广泛的适用性。
此外，陈志豪先生介绍了数据中心应用中的拓扑架构，特别是英飞凌自主研发的3.3千瓦服务器电源设计。该设计采用了多层堆叠技术，利用英飞凌的碳化硅和氮化镓器件，提高了功率密度和效率。英飞凌的新一代控制器将在未来服务器电源中扮演核心角色。
他展示了一张详细的拓扑图，解释了从AC输入到DC输出的整个功率转换过程。在这个过程中，英飞凌的碳化硅和氮化镓器件分别在不同的阶段发挥关键作用。通过这种设计，英飞凌成功地将服务器电源的功率密度提高了约两倍，从60W/in3达到了160 W/in3。
陈志豪特别指出：“通过提高效率，可以把要解决的散热问题克服掉。”这句话完美概括了宽禁带半导体在提升能源效率和系统性能中的重要性。
最后，陈志豪先生和陈立烽先生总结了宽禁带半导体在提高能源效率方面的显著作用。英飞凌通过全面布局硅、碳化硅和氮化镓产品，为各类应用提供高效能解决方案。他们强调，英飞凌在宽禁带半导体领域的全面布局，不仅包括低压的OptiMOSTM系列，中压的CoolGaNTM系列，还包括高压的CoolMOSTM SJ MOSFET和TRENCHSTOPTM IGBT系列。通过这种全面的产品组合，英飞凌能够满足各种应用需求，为客户提供最优的解决方案。
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