5月9日,聚焦电力电子、智能运动、可再生能源及能源管理的2023德国纽伦堡电力电子展PCIM Europe开幕(5/9-11),海内外SiC/GaN第三代半导体厂商汇聚一堂,以最新的技术和产品,向市场展示了SiC、GaN在电动汽车、数据中心、光伏储能、通信基站、工业自动化等高压高功率领域的应用潜力。
国内厂商
本届PCIM展会,多家国内厂商携新品新技术亮相,如英诺赛科、三安半导体、基本半导体、瑞能半导体、芯聚能、致瞻科技、宏微科技等,其中,部分厂商亮点汇总如下:
英诺赛科
作为全球少数的GaN IDM厂商,英诺赛科带来了晶圆和芯片等多系列产品以及面向消费电子、数据中心、汽车等不同应用的InnoGaN解决方案。
- GaN晶圆、芯片
产品部分,英诺赛科展示了硅基GaN晶圆及高中低压30V-700V GaN芯片,以40V VGaN双向导通系列、SolidGaN半桥合封系列及全新封装Toll/TO等封装新品为重点。
据介绍,VGaN系列是行业首创的双向导通产品,采用WLCSP封装,能够实现以一替二(Si),目前,该系列产品已导入到oppo/realme等手机主板,节省手机PCBA空间,降低手机充电温度,实现更高效、更安全的充电方式。其中,采用VGaN的realme GT2手机就在英诺赛科的生活区消费领域展出。
- GaN消费电子、数据中心、汽车解决方案
针对消费电子应用,英诺赛科展示了多款快充产品,除了realme GT2手机,还有安克65W全氮化镓(All-GaN)快充,闪极、倍思、绿联、贝尔金、努比亚等30-65W小体积快充产品,以及30-300W的氮化镓快充及适配器高效方案。此外,消费类产品还包括:200W LED电源,2kW户外储能电源等方案。
针对数据中心应用,英诺赛科已开发了全链路的GaN供电解决方案,本次就展出了PSU电源的AC→DC环节的2KW PSU和4KW PFC方案,还有48V→12V环节的420W/600W/1000W 电源模块,以及Oring,Hotswap,Vcore电源等方案。英诺赛科表示,该系列产品可提升供电链路的功率密度和效率,降低50%的系统损耗。
针对电动汽车应用,英诺赛科率先在车载激光雷达领域展开布局并开花结果,同步开拓主驱逆变器、DC-DC转换器、OBC等应用场景。本次展会上,英诺赛科便带来采用其100V低压芯片的激光雷达器、2.4 kW 48V双向DCDC电源模块、1kW电机驱动、150W车载/笔电车充等方案,可助力全面降低系统损耗。
三安半导体
三安半导体本次重点展示“碳化硅 (SiC) 全产业链体系”的全线产品(覆盖晶锭、衬底、外延、芯片、器件)和“深入行业应用”的新能源汽车、光伏储能、通信基站、数据中心、工业自动化、家用电器、消费类电子功率半导体的解决方案。具体展品如下:
- 6英寸SiC晶碇、衬底、外延
在晶锭生长技术上,三安半导体采用6/8英寸兼容大尺寸单晶生长平台,依托精准热场控制的自主PVT工艺,实现更低的成本及更低的缺陷密度。
SiC衬底技术门槛高,工艺难度大,但据介绍,三安半导体目前拥有高效率、低损耗的切割技术,精准控性、高平坦度的研磨技术,以及高表面质量、低缺陷的抛光和清洗技术,基于此,其6英寸SiC衬底的品质和良率在逐步提升。
在外延环节,缺陷密度、波长均匀性是SiC外延环节的主要技术难点,这两大问题与外延片的可靠性和成本息息相关。目前,三安半导体采用650V-1700V宽电压区间外延平台和领先的多层外延技术,在外延环节实现了低缺陷密度、高一致性与高可靠性,成本管控良好。
- SiC功率 (SBD/MOS) 芯片、器件
功率芯片方面,本次展出的二极管及MOS芯片均通过了AEC-Q101认证,基于更好的Vth控制技术和减薄晶圆平台,产品具备高电流密度高浪涌能力,以及极低损耗和低寄生参数。
器件方面,三安半导体展出来650V/1200V全产品系列SiC功率二极管及MOS器件,通过了AEC-Q101认证/AQG-324认证,以高性能、高一致性和高可靠性为特点,可以根据客制化要求,提供多种灵活工艺方案。
基本半导体
基本半导体在本届PCIM Europe上正式发布了第2代SiC MOSFET系列新品,该系列产品基于6英寸晶圆平台进行了自主研发和迭代升级,性能和可靠性得到了大幅度提高,器件开关损耗进一步降低。同步展出的还有SiC晶圆、器件、模块、驱动器和驱动IC等。
- SiC晶圆、器件
晶圆和器件部分展示了SiC MOSFET/SBD晶圆、SiC MOSFET及肖特基二极管器件。
- 车用全碳化硅功率模块
基本半导体带来的车用SiC产品备受关注,据介绍,车用全碳化硅功率模块分全桥式和半桥式,覆盖750V和1200V,电流最大达800A。
据悉,Pcore?6、Pcore?2模块均采用全银烧结、DTS+TCB(Die Top System + Thick Cu Bonding)等封装技术,在栅极输入电容、内部寄生电感、热阻等多项参数上达到国际先进水平,可显著提升整车效率,降低制造和使用成本。
今年4月,基本半导体车规级SiC芯片产线正式通线,达产后每年可保障约50万辆新能源汽车的相关芯片需求。目前,基本半导体已获得近20家整车厂和Tier1电控客户的定点。
- SiC MOSFET/IGBT门极驱动解决方案
本次展位也同步呈现了基本半导体旗下青铜剑技术的SiC MOSFET和IGBT门极驱动解决方案,包括适配HPD封装的SiC MOSFET模块驱动器,IGBT驱动核、即插即用驱动器,以及适配各种封装形式的定制化驱动解决方案。
瑞能半导体
瑞能半导体本次带来了硅基、SiC功率器件在充电桩、车载充电器的应用及在可再生能源市场的产品突破,具体展品包含SiC器件,可控硅和功率二极管,高压和低压Si-MOSFET, IGBT,保护器件以及功率模块等。其中,SiC产品主要介绍两种规格的MOS管。
- 1200V和1700V SiC MOSFETs
据介绍,1200V和1700V SiC MOSFETs具备业内领先的FOM(RDS(on)*QG)指数,安全的开启电压以及可靠的栅极氧化层设计,同时可以实现更加稳定的导通电阻高温性能。产品采用更高晶胞单位密度的先进工艺和优化的晶胞结构,在导通电阻和栅极电荷特性方面能做到更好的平衡,降低变换器的损耗和器件温升,提升变换效率。
除了上述厂商,芯聚能、致瞻科技、宏微科技等也带来了丰富的SiC器件、模块产品。
海外厂商
海外市场方面,第三代半导体主力军几乎无一缺席,Wolfspeed、罗姆、安森美、英飞凌、东芝、纳微半导体、Transphorm、GaN Systems、EPC、CGD等悉数亮相,看点颇多,部分企业的亮点汇总如下:
纳微
纳微在本届PCIM Europe重点展示了高压高效的GeneSiC™功率产品和集GaN功率器件、传感和控制为一体的GaNFast™功率芯片,展位上划分了电动汽车、太阳能、储能、家电和工业驱动等不同展区。
- 电动汽车
纳微展出了丰富的车用SiC和GaN解决方案。其中,针对OBC和DC-DC转换器,纳微重点介绍了3-in-1双向OBC+DC-DC解决方案,尺寸仅210 x 192 x 61 mm <2.5 L。据悉,纳微的GaN和SiC方案可应用于充电桩、OBC、DC-DC转换器等众多场景。
- 太阳能/微电网
在太阳能、微电网领域,纳微展示了数款SiC和GaN解决方案,可用于微型逆变器、储能等多种应用。据悉,纳微的650/700V GaN功率芯片目前已用在微型逆变器中。另外,KATEK集团的coolcept flex系列的Steca太阳能逆变器采用了纳微的GeneSiC MOSFET,峰值效率高达98.6%,减少了功耗和热量,体积和重量也都得到了优化。
- 消费类
纳微展示了消费电子设备的GaN快充,包括:手机快充、超快充、基于GaNSense技术的GaNFast半桥功率芯片、搭载GaNSense Control的33W/65W GaN充电器方案、搭载GaNSense功率芯片的140W/240W PD3.1充电器方案、搭载GaNFast功率芯片的300W充电器方案。
其中,采用GaNSense Halfbridge技术的GaNFast半桥功率芯片是纳微最新的产品线,集成了完整的半桥功率级,据说是数据中心、电动机及电动汽车应用中逆变器、转换器的基本结构单元。
GaNSense半桥功率芯片采用两颗GaN FETs,结合驱动、控制、感测、自动保护及电平偏移隔离,是电力电子应用的基本功率级结构单元。
另外,生活消费类展区也同步展示了多款家电驱动机的GaN解决方案:包括60 W备用电源、400W搭载了电动机、1kW洗衣机电动机,以及400W TV电源解决方案。
- 数据中心
纳微带来了两款数据中心电源解决方案,一款是2.7kW的钛金牌服务器电源解决方案,相较传统的硅方案,频率快6倍,峰值效率高于96%,并能实现50%节能,同时还大大缩小了尺寸;另一款是1kW的高压数据中心电源解决方案,仅有1/4块砖块电源的大小,相较传统750W的传统硅方案,频率快4倍,尺寸减小4倍,功率密度高4倍。
Transphorm
- 消费电子应用
Transphorm重点介绍了WT7162RHUG24A电源转换器控制芯片,这是其与伟诠电子(Weltrend Semiconductor Inc.)合作开发的首款系统级封装(SiP) GaN电源控制芯片,与伟诠电子的高效、单级65W USB-C PD 3.0 + PPS电源适配器参考设计(内置新型IC)一起展出,峰值功率效率约94%,功率密度达26W/in3。据悉,样品将今年二季度推出。
此外,Transphorm展示了GaN器件产品组合,在现有的游戏笔记本电脑充电器中,用Transphorm的GaN FET替代TSMC增强型器件,可显著提升充电器系统的性能。
- 可再生能源应用
Transphorm首次展出一款3kW DC-AC非隔离全桥逆变器评估板 TDINV3000W050B-KIT,该产品采用Transphorm的TP65H050G4WS SuperGaN FET器件和微芯(Microchip Technology)的dsPIC33CK数字信号控制板(DSC),该控制板搭载了预编程固件,有助于SuperGaN解决方案加速在工业及可再生能源系统中使用。
- 电动汽车应用
Transphorm推出了1200V GaN器件的设计资源,该系列产品是对其现有650V GaN器件产品线的补充,有利于Transphorm更好地满足电动汽车领域的需求。
英飞凌、GaN Systems
今年3月,英飞凌宣布将以8.3亿美元收购了GaN芯片头部企业GaN Systems,双方在第三代半导体领域的竞争力和影响力进一步扩大。在本届展会上,英飞凌和GaN Systems均带来了前沿的产品和技术解决方案。
- 英飞凌CoolSiC、CoolGaN解决方案
本届PCIM展,英飞凌在第三代半导体领域展示了基于CoolGaN的USB-C适配器和充电器,以及配备CoolGaN SG HEMTs、EiceDRIVER门极驱动IC和XENSIV传感器的电动汽车解决方案。新型芯片技术则包括HybridPACK Drive CoolSiC第二代产品。
针对电动汽车应用,英飞凌重点介绍50kW模块化CoolSiC参考设计,用于电动汽车的快速DC充电系统;展位上同步展示了首个壁挂式DC充电桩——alpitronic HYC50双向50kW充电桩。
- GaN Systems新型GaN OBC参考设计
GaN Systems本次重点推出新型11kW/800V GaN参考设计,据称有望改变电动汽车设计的规则。该设计采用三电平飞跨电容型拓扑结构,所用的GaN晶体管将晶体管电压应力降低了一半,使得650V GaN可用于该设计及其他800V应用。与SiC晶体管设计相比,OBC的功率密度提高了36%,BOM成本降低了15%,交流/直流阶段峰值效率>99%,直流/直流阶段峰值效率>98.5%,降低了系统总功耗,同时改善了热性能。
同时,GaN Systems也展示了DC-DC、逆变器解决方案,数据中心电源解决方案,GaN快充与适配器解决方案,以及LED及无线能量传输等的创新解决方案。
Wolfspeed
Wolfspeed展示了SiC功率模块、模块化评估平台、电机驱动、光伏储能系统等产品和解决方案,重点推出3300V LM SiC半桥功率模块。
- SiC功率模块
Wolfspeed介绍,3300V LM SiC半桥功率模块具备优越的性能,可帮助功率转换系统降低热耗,提高可靠性。这款新型SiC中压模块性能优于Si产品,功耗降低了3倍多,整体系统尺寸减少达40%。
Wolfspeed还展示了WolfPACK™ 无基板SiC功率模块产品系列,支持半桥、六管集成及全桥等多种拓扑结构,可在中功率系统中提供出色的可延展性,能够减小转换器尺寸并降低系统BOM成本,对于追求在紧凑尺寸里实现高效率和高功率密度的设计者而言,该产品系列是理想选择。
- SpeedVal Kit™模块化评估平台
Wolfspeed介绍了最近新推的SpeedVal Kit™,该平台可以快速评估和优化Wolfspeed碳化硅MOSFET的的高速动态开关性能以及合作伙伴提供的一系列门驱动器,还可用于开展高功率热测试,评估实际工作点的运作情况。
- 电机驱动
Wolfspeed展示了采用其SiC技术的电机驱动器,以及基于其中压SiC模块技术的3300 V, 1 MVA电机逆变器。
- 光伏储能系统
光伏及储能应用部分,Wolfspeed展示了25kW三相逆变器,采用FM3 SiC模块,逆变器效率提升了1.6%。
罗姆
罗姆在PCIM 2023展会上重点推出电动交通、能源转换应用的高性能SiC和GaN解决方案,主打节能、小型化、功能安全、创新性及可持续性等优点,具体亮点如下:
- 第四代SiC MOS
新一代SiC MOS具有超低导通电阻 (RDSon),并最大程度降低了开关损耗,支持15V和18V栅极源极电压,据说有助于汽车主逆变器和各类开关电源实现超小型设计,降低功耗。
罗姆还展出了SCT40xxKW7第四代1200V SiC MOSFETs,相比传统产品,导通电阻降低了40%,开关损耗减少了50%。
- 新型模压SiC功率模块
罗姆推出了HSDIP20及DOT247系列产品,两大系列产品结合了最新的第四代SiC MOS 750V和1200V器件,覆盖不同RDSon导通电阻值,并且都能达到30kW的功率应用,具体取决于使用条件。
- 内置的1700V SiC MOS
罗姆展示了BM2SC12xFP2-LBZ系列产品,据说这是一款准谐振(Quasi-Resonant)AC/DC转换器,可为各种带有电源插座的产品提供最佳系统。
- 150V GaN HEMT
针对工业和通讯设备应用,罗姆优化了其150V GaN HEMT GNE10xxT产品,据称具有行业最高的(8V)栅极击穿电压技术。
- 门极驱动器
除了器件和功率模块,罗姆同步展示了BM611x系列门极驱动器,专为xEV牵引逆变器应用设计,已通过AEC-Q100车规级认证。该系列产品新增了BM6112,栅极电流达20A,适配高功率IGBT和SiC应用。
安森美
安森美此次聚焦三大方向:绿色能源、EliteSiC生态系统、工业革命。EliteSiC系列相关的展品主要介绍充电桩解决方案。
- AC电动车充电桩
主要展示了EliteSiC技术在制造用于从AC电网充电的高效充电解决方案中起到的作用。
- 25kW DC快充评估装备
主要展示了安森美的智能电源产品组合如何利用EliteSiC技术实现最高效率。
结语:SiC成熟度提升,GaN功率产品商用化提速
通过海内外主要厂商在本届PCIM Europe展会上的呈现可以看到,SiC和GaN技术和性能得到进一步的升级,产品应用边界也在加速拓宽。
值得一提的是,厂商的重点也一致落在电动汽车、工业电源、光伏储能等功率半导体解决方案上,传递着SiC、GaN加速向高功率应用领域渗透的积极信号,尤其是GaN。从厂商的亮点产品不难发现,GaN在电动汽车上的应用已经不再是喊口号,一定程度上预示着GaN将在OBC车载充电器等应用场景与SiC正面交锋。不过,SiC今年展现出了更为强劲的发展势头,无论是技术还是产品,成熟度皆有所提升,有望加快渗透更多应用市场。
另值得一提的是,Wolfspeed、罗姆、纳微、安森美、Transphorm、EPC等都将参加相关的专题讨论会、座谈会等。例如,纳微将在PCIM上带来多场精彩演讲,其中,纳微半导体企业营销和投资者关系副总裁Stephen Oliver还将在5月11日带来Reliability and Quality Requirements for SiC and GaN Power Devices的精彩座谈会。SiC、GaN的热度由此也可见一斑,产业难题有望在更多的交流和探讨中进一步取得突破。(文:集邦化合物半导体Jenny)
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