當(dāng)我們展望未來(lái) 100 年的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展方向時(shí),電力電子將成為未來(lái)的關(guān)鍵部分。如果你看看過(guò)去 100 年左右,我們的工業(yè)化是基于化石燃料,無(wú)論是我們的家庭、工業(yè)、工作場(chǎng)所還是流動(dòng)性,它們都基于碳基燃料:石油、天然氣煤……在過(guò)去 100 年中顯著的碳排放。
我們討論電源管理方面的下一個(gè)挑戰(zhàn),例如效率、熱管理和工程中重要的特性。那么最關(guān)鍵的是什么,你對(duì)市場(chǎng)有什么建議? 歸根結(jié)底,實(shí)際上一切都與效率有關(guān),不是嗎?正確的?無(wú)論您是在談?wù)撛O(shè)備本身的效率,還是正在充電的設(shè)備,您提出的所有這些問(wèn)題、熱管理、密度,所有這些都真正下降,無(wú)法實(shí)現(xiàn)或無(wú)法改進(jìn)更高的效率。我相信,我讀過(guò)美國(guó)家庭平均擁有大約 25 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。所以這些是設(shè)備,每一個(gè)都需要充電,其中很多是每天充電,有些是永久充電。因此,僅在美國(guó),更不用說(shuō)歐洲、中國(guó)等地的數(shù)億家庭,這就是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)。所以它真的需要被驅(qū)動(dòng),對(duì)嗎?它需要在效率方面得到全方位的推動(dòng)。
垂直結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為有利于高電壓、高功率器件,因?yàn)樗阌陔娏鲾U(kuò)散和熱管理,并允許在不增大芯片尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)高電壓幾乎所有商用的MV/HV Si和SiC功率器件都是基于垂直結(jié)構(gòu)此外,與GaN-on-Si外延相比,GaN-on-GaN同質(zhì)外延層具有更低的位錯(cuò)密度,(VON)是由GaN的大能帶隙引起的。先進(jìn)的sbd是非??扇〉?,因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了肖特基樣正向特性(具有低VON)和pn樣反向特性(峰值電場(chǎng)從表面移到半導(dǎo)體中)。
垂直氮化鎵設(shè)備能夠達(dá)到更高的頻率和操作在更高的電壓,這應(yīng)該導(dǎo)致新一代更有效的電力設(shè)備,現(xiàn)在的一些挑戰(zhàn),具體來(lái)說(shuō),你正在工作與橫向氮化鎵相比,有什么制造問(wèn)題,問(wèn)題降低成本?我想這很重要。所以,我們談?wù)摰氖菍W(xué)術(shù)上的垂直氮化鎵,還是我們可以在市場(chǎng)上找到解決方案?
為什么我們需要垂直的氮化鎵?因此,由于輸出電容較小,應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)損耗非常小,與橫向氮化鎵設(shè)備相比,保持這些通過(guò)均勻材料的最佳傳輸,而沒(méi)有額外的層定向到封裝,并將框架從設(shè)備的頂部和底部離開(kāi)。
為可再生能源提供動(dòng)力以創(chuàng)造更美好的明天,因此,不僅是 GaN 和 SiC 等寬帶隙半導(dǎo)體,還有圍繞電力電子、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、宏觀(guān)電網(wǎng)、人工智能的多種技術(shù),都將支持這種擴(kuò)展。我們作為技術(shù)社區(qū)和工程師的責(zé)任是采取行動(dòng)做某事,所以我們每個(gè)人都應(yīng)該邁出第一步。因此,我們不僅對(duì)個(gè)人負(fù)責(zé),而且對(duì)組織負(fù)責(zé)。那么阻礙零碳和低碳能源更廣泛部署的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是什么?你認(rèn)為生產(chǎn)太陽(yáng)能電池板等的所謂稀有材料的競(jìng)爭(zhēng)?
道路運(yùn)輸?shù)碾姎饣瘜?duì)于實(shí)現(xiàn)歐盟的脫碳和氣候變化目標(biāo)至關(guān)重要。對(duì)碳化硅襯底的需求經(jīng)歷了巨大的增長(zhǎng),法國(guó)絕緣體上硅 (SOI) 晶圓供應(yīng)商 Soitec 開(kāi)發(fā)了 SmartSiC 技術(shù),以加速 SiC 在電動(dòng)汽車(chē)中的采用。
固態(tài)開(kāi)關(guān)和機(jī)電繼電器有助于通過(guò)電流管理所有設(shè)備的電源。盡管無(wú)處不在,但傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)和繼電器仍存在主要缺點(diǎn),包括能量損失、成本、重量、尺寸、性能和可靠性。這些固有限制影響了設(shè)計(jì)和部署下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)以及一切電氣化的能力——快速過(guò)渡到電動(dòng)汽車(chē)、可持續(xù)能源和更智能的電網(wǎng)。
到目前為止,我們已經(jīng)涉足能源和電力市場(chǎng)數(shù)十年,我們的目標(biāo)確實(shí)是為專(zhuān)注于電力轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能應(yīng)用的客戶(hù)提供支持,例如交通運(yùn)輸、可再生能源、重型工業(yè)機(jī)械。我們一直在全球范圍內(nèi)這樣做。所以我想說(shuō)大約十年前,我們看到對(duì)更高效的電源解決方案和高功率密度以及小尺寸的需求在增加。所以這就是為什么我們一直專(zhuān)注于寬帶半導(dǎo)體的早期階段。我指的是氮化鎵或 GaN 和碳化硅。這幫助我們走在了今天采用這些技術(shù)的前沿。
SiC 和 GaN 都可以為創(chuàng)建下一代智能電網(wǎng)做出貢獻(xiàn),以解決能源問(wèn)題,尤其是在電動(dòng)汽車(chē)方面。那么等待我們的未來(lái)是什么?但特別是,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,您認(rèn)為基于 SiC 的功率器件應(yīng)該如何發(fā)展才能滿(mǎn)足下一個(gè)更嚴(yán)格的行業(yè)要求?
今天,我們就來(lái)聊一聊碳化硅,下一波SiC制造,供應(yīng)鏈和成本。SiC 行業(yè)在許多市場(chǎng)都在增長(zhǎng)。電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)正準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向 SiC 逆變器,正如特斯拉已經(jīng)做的那樣。作為戰(zhàn)略合作的一部分,梅賽德斯-奔馳已將 onsemi SiC 技術(shù)用于牽引逆變器。因此,SiC 器件的范圍得到了廣泛認(rèn)可,并提供了傳統(tǒng) IGBT 的寬帶隙替代品。
我們一直在跟蹤 POE 世界中的一個(gè)有趣趨勢(shì),對(duì)于任何支付電費(fèi)的人……或認(rèn)識(shí)支付電費(fèi)的人來(lái)說(shuō),這應(yīng)該不足為奇:人們?cè)絹?lái)越關(guān)注產(chǎn)品生命周期內(nèi)的總功耗。 總擁有成本通常被認(rèn)為是 CAPEX(資本支出......或購(gòu)買(mǎi)價(jià)格)和 OPEX(運(yùn)營(yíng)支出......或運(yùn)行成本)的總和。設(shè)計(jì)師和硬件開(kāi)發(fā)經(jīng)理歷來(lái)更關(guān)注 CAPEX 而不是 OPEX,但現(xiàn)在開(kāi)始將轉(zhuǎn)向總擁有成本視為判斷解決方案的正確指標(biāo)。這是來(lái)自實(shí)際需要付費(fèi)購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)行此類(lèi)設(shè)備的最終用戶(hù)。
許多照明應(yīng)用需要提供直流控制、高效率、脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光、電壓保護(hù)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性的 LED 背光驅(qū)動(dòng)器解決方案。驅(qū)動(dòng)器拓?fù)渲饕譃槿箢?lèi):線(xiàn)性穩(wěn)壓器、電荷泵和開(kāi)關(guān)。DC/DC 轉(zhuǎn)換器基于一系列保證高效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由于其靈活性,已在各種 LED 應(yīng)用中找到了設(shè)計(jì)空間。它們接受寬范圍的輸入電壓,從而可以達(dá)到高功率密度。
系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)正變得越來(lái)越復(fù)雜,趨勢(shì)仍然是成本、可靠性、效率、易用性和功率密度(每單位體積的輸出功率)。 通常情況下,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將電源設(shè)計(jì)作為其設(shè)計(jì)的最后階段只是為了意識(shí)到在 CPU/DSP、內(nèi)存、芯片組、主機(jī)處理器/FPGA 和其他系統(tǒng)組件區(qū)域被修復(fù)后沒(méi)有太多空間。
讓我們仔細(xì)看看電源管理在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中扮演的角色。電源管理是“始終開(kāi)啟”超低功耗系統(tǒng)控制器(如 MSP430 器件)最好執(zhí)行的另一項(xiàng)功能。這樣做的原因有兩個(gè)。首先,電池充電和監(jiān)控需要每隔幾分鐘甚至幾秒持續(xù)進(jìn)行一次。與超低功耗 MSP430 微控制器相比,應(yīng)用處理器需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能喚醒并且消耗更多的功率來(lái)完成同樣的功能。其次,從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來(lái)看,使用應(yīng)用處理器輪詢(xún)電池充電器、電量計(jì)和溫度傳感器會(huì)“分散”運(yùn)行操作系統(tǒng) (OS) 和關(guān)注用戶(hù)體驗(yàn)的注意力。此外,電源設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常不同于應(yīng)用處理器團(tuán)隊(duì)。分離電源管理控制器允許在架構(gòu)解決方案時(shí)有更多的自主權(quán)。