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新基建驱动电力电源变革,ST祭出一揽子解决方案

作者:王莹时间:2020-06-22来源:电子产品世界收藏

我国正在大力进行新基建,工业物联网、汽车充电桩、5G手机等对电力与提出了更高的能效要求。与此同时,、等第三代半导体材料风生水起,奠定了坚实的发展基础。

本文引用地址:/article/202006/414519.htm

充电桩、工业物联网、手机需要哪些新电力与器件?近日,ST(意法半导体)亚太区功率分立器件和模拟产品部区域营销及应用副总裁Francesco MUGGERI接受了电子产品世界记者的采访,分享了对工业市场的预测,并介绍了ST的新产品。

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ST亚太区 功率分立器件和模拟产品部 区域营销及应用副总裁 Francesco MUGGERI

1 工业市场的增长点

工业领域中有几个细分市场增长迅速(如下图)。据IHS Markit预测,2018—2021年,生产和过程工业自动化、电力和能源、医疗电子、楼宇和家居控制等市场的年均增长率将达6%左右,而安防和视频监控应用(大部分属于自动化方面)的同期年均增长率将近19%。

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图:部分高增长的工业市场(SAM: 可服务市场,来源:IHS Markit)

其中,电力器件在工业市场中占1/4江山,且市场对电力的需求正在上升。有数据显示,2020—2030年,电力需求将增长30%。与此同时,世界各国对减少碳排放做出了坚定的承诺,预计到2030年,二氧化碳排放量将比2010年减少45%。因此,电力与电源从业者在迎来巨大机遇的同时,还需集中精力节约能源,推出更多的绿色能源解决方案。

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2 工业物联网对电源的需求

工业物联网呈现出高度复杂和差异化的特点。这意味着需要在市场上引入一个新概念,即在本地完成通信、计算的集成系统。

为此,人们必须智能地分配电力,必须获得自动化生产线和综合数据分析,而这些需要高水平的计算能力、感知能力、自然沟通能力。从电源管理的角度看,①需要连续的电力传输,所以需要UPS、充电器。②由于在复杂的物流仓库里,有数百个机器人上下左右移动,需要给这些机器人充电,所以无线充电正成为这类机器人的需求。③对于协作机器人,需要有能够连续供电的大型设备。为了不停机,需要最大限度地提升效率,因为不能让机器人停在某个地方充电2小时,因此,快速无线充电是此类应用的未来主要趋势。

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值得一提的是,对于服务器、本地计算和边缘计算,需要用到分布式电源管理技术。全面的分析方法可以避免设备损坏和系统崩溃。①在这种情况下,需要进行预测性维护以防止此类问题发生。②所有这些级别的计算都需要交给性能强大的服务器来完成,因此,需要获得连续不间断的电力传输。③所有这些计算能力需要不间断地分配给周围的所有传感设备,因此,复杂系统需要具有连续传输的分布式电源,并且需要机器人不停机充电。这些已经在多个层面上创造了巨大的机会,包括电力与能源、电机控制和自动化。

3 功率器件的机会

1)

SiC器件的明显优势是可以在高温下工作。目前SiC的结温可达200℃,甚至220℃,或许还能达到250℃。但是封装限制了这项性能,塑料外壳或框架不支持这个温度。因此,现在ST将SiC产品的工作温度限制在200℃以下。

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图:ST的SiC MOSFET封装

SiC器件非常适合在极其恶劣和极差的环境下工作。如果器件工作在非常狭窄的空间,而没有足够的散热空间,那么最好使用SiC MOSFET。

此外,SiC开关性能十分出色,只要对大功率和高压有要求,SiC是理想之选。

但是,还有一个因素影响客户的决定,即SiC是否真的物有所值?其创造的价值是否值得客户支付更高的成本?因此,人们还需要计算投资回报率。例如,如果将SiC器件部署在中国市场上的电动自行车等商品中,可能永远无法获得合理的投资回报。所以在这些应用中,传统的Si解决方案的市场地位无法撼动。但对于高端工业应用,工作温度优势明显的SiC就更适合多种应用,例如电信设备,供电站和充电站,以及太阳能等。其它的工业应用将沿用传统的硅解决方案。

2)

GaN器件也有一定的市场空间。GaN的优势在于其开关频率非常高。高开关频率意味着可以使用尺寸更小的无源元件。这意味着如果需要减小外形尺寸,例如手机充电器或者你不想携带大尺寸的产品,这时GaN将发挥重要作用。

直到今天,GaN仍然不能支持很高电压。尽管有这方面的研究,但在1200 V市场上还没有GaN产品投放。当今市场上大多数GaN产品的最大电压约为600 V和700 V。由于技术本身的原因,GaN器件的电压能力仍然存在一些限制,但GaN可以满足降低开关损耗的要求。

可以肯定的是,GaN将在未来取代Si基产品而占据更大的份额。但是,目前这项新兴技术尚未成熟,这意味这块市场还需要大量的投资。因此,GaN的市场和应用的渗透率较低。例如,GaN先是用于充电器、适配器,然后用于其它解决方案,诸如低功耗服务器。但是,如果优化投资回报率,GaN技术优势将会变得更大。

3)GaN和SiC在工业功率市场

据统计,从2018—2025年,SiC MOSFET在工业领域会保持2位数的年均增速。对于亚洲市场,据ST估算,2019年SiC工业市场规模是1.5亿美元,这是一个非常乐观的数字。GaN有一些应用,例如一些公司推出的充电器和用于图腾柱技术的设备,现在亚洲区工业GaN市场规模不到2500 万美元。

以下介绍一下ST推出的SiC和GaN新产品,分别针对充电桩和手机充电器。

4 节省150 美元的直流充电桩SiC方案

ST正提供创新的直流充电站解决方案——15 kW双向PFC(3级T型),可谓面向充电桩的里程碑式的解决方案。

它采用SiC器件和数字控制,即STPOWER系列产品和STM32G4 MCU,开发设计PFC产品,该方案可以把能效提高到更高水平。相比等的解决方案,ST的SiC产品能够将能效提高0.5%。这个数字也许看起来微不足道,但这不仅仅是数字的问题,因为:①当能效接近100%时,提高0.5%并不容易,实际上是可观的节能改进;②从成本角度看,每个电路板可节省总拥有成本150美元。

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众所周知,SiC比Si基产品价格高,为何能节省成本?因为SiC板子的无源元件成本较低,是一种成本补偿。因此,包括无源和有源半导体元件在内,电路板的BOM(物料清单)成本略高出20%~30%。那么,150 美元哪里来的? 

具体地,高功率充电站通常是350 kW。一辆典型的电动汽车的充电功率约为120 kW,充电80%~90%时只需约20~25分钟。在这种情况下,假设这些充电站只运行半天,而不是一整天,所以每天充电总用电量是:

    350 kW 12 h

如果ST的解决方案能节省能耗0.5%,则节省的能源是:

    350 kW 12 h x 0.5% = 21 kW·h

如果这些充电站一年365天都充电,并且假设电路板使用寿命是5年,则

    21 kW·h x 365 x 5 = 38.325 MW·h

以中国为例,电价约为0.09美元/ kW·h。假设每个充电桩有24块充电板,则

    38.325 MW·h x 0.09 美元/kW  24=143.7 美元

可见,每块板子的节能效果接近150 美元。

所以如果只看元件本身或改用SiC MOSFET,成本会提到,但是总拥有成本带来了降低。这也说明节能对于每块板卡是多么重要,哪怕只是耗散功率降低幅度很不起眼。

在中国市场做一个测算,中国可能需要100万座350 kW充电桩的充电站,这将节省可观的电能。而BOM成本只拉高了20%~ 25%,这是非常合理的。 

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“这是一个里程碑式的解决方案,现在市场上还没有友商能提供达到这种组件级别的集成解决方案! MUGGERI先生说。

ST此次推出15 kW PFC解决方案,使充电桩和直流转换功率达到350 kW。ST的下一步目标是增加每块板的输出功率,因此正在设法将每块板的功率提高到(20~30)  kW。

5 手机GaN充电器方案——65 W Type-C方案

ST的65 W Type-C&PD充电器主攻高端手机充电器市场,能效可达93%~94%,对于普通手机,充电时间可少于30分钟。

从技术角度,65 W Type-C的创新有二点:①采用GaN FET半桥驱动; ②使用SiP。其尺寸如下图,可见该方案的高度比2个iPhone手机略低,而整个方案的尺寸相当于1元硬币的大。ㄈ缦峦迹叽缧〉搅钊司。如果将纵向变压器换成横向变压器,缩减效果会更好,ST目前正在尝试这方面的研发。image.png

其中采用了650V GaN HEMT高压半桥驱动SiP。实际上,ST还投资了GaN HEMT SiP。对于GaN封装,ST有一个清晰的产品路线图,涵盖充电器和其它看重功率密度的设备和应用。ST还有一个非常清晰的GaN分立器件市场战略,瞄准(3~120) mΩ电阻区间的100 V和650 V两块市。ㄈ缦峦迹。

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6 背景:ST的电力与能源业务

据IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算(基于制造和过程自动化、电力与能源、楼宇和住宅控制、以及其他行业的数据),ST在工业用功率分立器件领域排名第二位。

下图是ST亚洲的电力和能源市场增长情况,可见近两年可服务的市场的发展速度不断加速。

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ST为直流充电桩及工业用电提供很多领先的解决方案,包括如下几部分。

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关键词: 电源 SiC IGBT GaN

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