憑借高效領先的功率半導體技術，英飛凌不但在節(jié)能減排方面一直走在全球科技公司的前列，還在積極提出了自己的“2030年碳中和承諾”——即相較于2019年，通過減少和替代的方式，在2025年實現(xiàn)二氧化碳排放量減少70%的目標；到2030年，將主要通過避免排放來實現(xiàn)碳中和。
自信的承諾與英飛凌“低碳化和數(shù)字化”戰(zhàn)略之間存在著高度契合。作為“連接現(xiàn)實世界與數(shù)字世界”的領導者與踐行者，英飛凌將“未來出行”、“物聯(lián)網(wǎng)”和“能源效率”視作未來三大主攻方向之一，認為這會給包括功率器件在內的半導體產業(yè)提供更多的市場機會。
IoT Analytics的最新報告印證了上述判斷。以物聯(lián)網(wǎng)市場而言，數(shù)據(jù)顯示，物聯(lián)網(wǎng)半導體市場規(guī)模將有望從2020年的330億美元增長到2025年的800億美元，復合年增長率高達19%。其中，物聯(lián)網(wǎng)微控制器（MCU）、物聯(lián)網(wǎng)連接芯片組、物聯(lián)網(wǎng)AI芯片組和物聯(lián)網(wǎng)安全芯片組和模塊，將成為增長最為迅猛的四大領域。
有意思的是，這與英飛凌所定義的物聯(lián)網(wǎng)設備五大硬件元素：“感知、計算、執(zhí)行、連接和安全”間，形成了巨大的默契。在英飛凌看來，“感知”是物聯(lián)網(wǎng)的起點；“計算”等同于物聯(lián)網(wǎng)設備的“大腦”；“執(zhí)行”是智能化數(shù)字世界的賦能者；“連接”扮演著物聯(lián)網(wǎng)世界彼此溝通的紐帶角色；而“安全”則給予“物”可信賴的身份。
釋放功率半導體的魅力
之所以要特別聚焦功率半導體，是因為它是電能/功率處理的核心器件，主要用于電力電子設備的電能變換和控制。典型的功能是在接收到微控制器的計算結果和指令后，進行變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，對設備正常運行起到關鍵作用，物聯(lián)網(wǎng)“執(zhí)行”這一關鍵過程就高度依賴功率半導體。
作為同時擁有涵蓋硅器件和碳化硅、氮化鎵兩種第三代半導體器件的全產品組合的企業(yè)，英飛凌連續(xù)18年占據(jù)全球功率半導體市場占有率第一的寶座，通過MOSFET（Si/SiC）、IGBT、HEMT（GaN）、智能功率開關、照明驅動芯片、電機控制芯片、電源管理芯片、智能功率模塊（IPM）組成的功率產品矩陣，提供涵蓋瓦至兆瓦功率范圍的高能效解決方案。
截止到2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，英飛凌是分立式IGBT和IGBT模塊的“雙料冠軍”，且大幅領先于競爭者。此外，英飛凌還是2020年智能功率模塊市場的第三名。
（圖片來源于英飛凌于Q2 FY2022發(fā)布的Investor Presentation）
·電機控制
電機控制系統(tǒng)是功率半導體器件在物聯(lián)網(wǎng)領域中最典型的應用場景之一。在傳統(tǒng)的電機控制中，當主控MCU發(fā)出控制信號后，需要通過門極驅動器驅動MOSFET、IGBT或SiC，如果采用更集成的方案，就會形成智能功率模塊方案。
目前，電機控制系統(tǒng)能效管理正呈現(xiàn)三大發(fā)展趨勢：一是高效化，即從感應電機向BLDC/PMSM電機轉變，電機本體能效提升，功率器件開關高頻化，功率器件發(fā)熱量低，溫升??；二是小型化，主要體現(xiàn)在PCBA、散熱器減小，功率器件封裝減??；三是智能化，通過雙核，可以實現(xiàn)AI智能分析，提升系統(tǒng)效率功能，并實現(xiàn)遠程控制。
隨著“雙碳”、“減排”理念越來越受到重視，傳統(tǒng)耗電大戶的電機控制系統(tǒng)正朝著高效化、高頻化、小型化、智能化方向發(fā)展，受可靠性、可維護性、用戶體驗影響，未來BLDC/PMSM無刷電機將持續(xù)替換有刷電機，市占率將進一步提升。
·機器人
以工業(yè)機器人、服務機器人為代表的機器人行業(yè)，是一個擁有巨大潛力的市場，涉及功率管理、電機控制、安全性、通信、環(huán)境感知、定位和狀態(tài)感知等多項技術。在這里，包括650V/1200V TRENCHSTOP IGBT7單管器件、Easy IGBT功率模塊、600V CoolMOS P7 SJ MOSFET， SiC MOSFET系列在內的功率器件，正默默為縮小控制箱尺寸，提供更高功率密度做出努力。
·智能家居
當前，真空吸塵器、掃地機器人、吹風機、榨汁機/攪拌機、電磁爐、吊扇、凈水器、空氣凈化器、除濕器為主的小家電市場增長迅猛，它們普遍希望以同等體積實現(xiàn)更高功率，或以更小體積實現(xiàn)同等功率。而以CIPOS智能功率模塊、iMOTION系列、TRENCHSTOP IGBT系列為代表的英飛凌功率器件組合，可以確保將功率器件的損耗降至最低，同時集成監(jiān)測和控制，簡化設計導入，使成本保持在可以接受的水平，有效推動了市場對更高效率驅動系統(tǒng)的需求。
同樣的趨勢也體現(xiàn)在用于私人住宅的家用空調設備上，它們也同樣強調智能化、小體積、強功能、更節(jié)能，高效節(jié)能的CIPOS? Mini智能功率模塊就十分合適。它不但具有最高功率密度，還集成了多種功率和控制元件來提高可靠性，并優(yōu)化PCB尺寸和降低系統(tǒng)成本，適用于空調、洗衣機、冰箱、真空吸塵器、壓縮機等多種應用場合中的控制變頻器。
此外，為了加快冰箱、洗衣機等較大型家用電器的壓縮機設計，英飛凌最新還推出了逆導型IGBT的壓縮機評估板或采用CoolMOS? MOSFET的壓縮機評估板，兩者都使用了集成電機控制器和柵極驅動器的iMOTION?驅動器。
·智能樓宇
經(jīng)濟增長和氣溫升高是全球電力消費增加的主要原因。在這種背景下，面對功率范圍從3千瓦到75千瓦的商用暖通空調系統(tǒng)（HVAC），制定更高的冷卻效率標準將有助于減少排放和降低成本。于是，面向商業(yè)智能樓宇中的HVAC系統(tǒng)，英飛凌的Econo模塊和Easy模塊系列為控制壓縮機電機提供了最適合的解決方案組合，尤其是帶有全新Easy 3B封裝的IGBT7技術；對于較小容量的壓縮機或風扇控制，智能功率模塊和Easy模塊則更加合適。
新一代IGBT器件IGBT7是英飛凌專為變頻驅動而設計的，尤其適用于通常以中等開關頻率工作的電機驅動應用。微溝槽（MPT）技術是IGBT7能夠顯著降低正向電壓，增加漂移區(qū)導電率的關鍵，在其加持下，與前幾代芯片技術相比，IGBT7的損耗得到了顯著降低。
不斷升級換代的IGBT模塊
乘風破浪的第三代功率半導體
作為新材料的SiC和GaN，與傳統(tǒng)硅材料相比，有哪些特性？如下圖所示，從物理特性來看，SiC與硅材料的電子遷移率相差不大，但其禁帶寬度、臨界場強、熱導率和電子遷移速度分別是硅材料的3倍、7倍、3倍和2倍。這意味著基于碳化硅和氮化鎵材料的功率半導體具有高耐壓、低導通電阻、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性，當應用于開關電源領域中時，具有損耗小、工作頻率高、散熱性等優(yōu)點，可以大大提升開關電源的效率、功率密度和可靠性，也更容易滿足器件輕薄短小的要求。
Si、SiC和GaN關鍵參數(shù)對比
以英飛凌600V/650V CoolSiC、CoolMOS與CoolGaN的應用定位為例，硅在電壓范圍為25V-6.5kV仍是主流技術，適用于從低到高功率的應用；碳化硅適用的電壓范圍是650V-3.3kV，適用于開關頻率從中到高的大功率應用；而氮化鎵適用的電壓范圍是80V-650V，適用于開關頻率最高的中等功率應用。因此，在600V和650V電壓等級，CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN是可以實現(xiàn)共存的。
Si、SiC和GaN在600V和650V電壓等級的價值主張
那么在實際應用中，面對Si、GaN和SiC三種器件共存的情況，IC廠商及產品設計師又該如何進行選擇？從總的應用趨勢看，傳統(tǒng)的硅材料開發(fā)時間最久，技術成熟度最高，產品范圍最廣也最完善，性價比最高，未來依然會是各個功率轉換領域的主要器件；氮化鎵器件由于其在快速開關性能方面的優(yōu)勢，會在追求高效和高功率密度的行業(yè)有較快增長，但相比之下價格缺乏優(yōu)勢；碳化硅耐高溫，溫度系數(shù)變化比較小，如果要考慮“易用性”和堅固性、耐用度，碳化硅會是不錯的選擇。
截至目前，英飛凌已發(fā)布200款CoolSiC?產品，其中有超過130個型號針對客戶的創(chuàng)新需求進行了開發(fā)，在全球范圍內更是擁有超過3,000家的活躍客戶。公司為SiC業(yè)務制定的目標是到本世紀20年代中期，SiC產品的銷售額達到10億美元水平。
用于伺服驅動器的1200V CoolSiC? MOSFET就很具代表性。它的開關損耗要比相應的IGBT選件低80%，且不受溫度影響。除了提高整體效率和減少損耗外，碳化硅技術還能提供更高的開關頻率，這可以在更加變化多端的控制環(huán)境中，給外部和集成的伺服驅動器帶來直接優(yōu)勢。
而氮化鎵器件不僅可降低耗電和總系統(tǒng)成本，還能提高工作頻率、功率密度以及系統(tǒng)整體效率，正日益受到充電器市場和廠商的重視。這一點，也可以從市場上不斷涌現(xiàn)的氮化鎵充電器新品得以印證。
自2018年起，英飛凌的氮化鎵開關管的產品就已實現(xiàn)量產，在通訊和服務器領域持續(xù)、穩(wěn)定地為客戶提供電源支持?？紤]到大功率、高功率密度、通用性、以及合適的成本是未來充電器市場的主要發(fā)展方向，英飛凌推出了包括CoolGaN? IPS系列、控制器、協(xié)議、高壓硅MOS、低壓硅MOS在內的一站式USB-C充電器解決方案，涵蓋功率級、原邊、副邊驅動，支持客戶打造高性能、高可靠性且高成本效益的充電器產品。
英飛凌CoolGaN? IPS 產品
最新的產品則是采用CoolGaN? GIT HEMT 600V和一個新型PFC和Hybrid反激式組合IC的100W USB-PD演示器，具有行業(yè)基準的功率密度，可在整個輸入和輸出電壓范圍內實現(xiàn)最高的效率水平，同時采用小尺寸設計。
結語
“日新月異，行而不輟”。
從碳達峰到碳中和，無疑是需要付出艱苦努力的。對于半導體行業(yè)從業(yè)者們來說，則意味著一系列與新能源、電子轉換、節(jié)電相關的技術產品需求會在未來幾年內迅速升溫。我們有理由相信，面對浩瀚如海洋星辰的物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)，通過持續(xù)的材料、技術與應用創(chuàng)新，英飛凌將為產業(yè)帶來更多低碳、高效的互聯(lián)解決方案。
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