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新基建驅動電力電源的技術升級

—— 訪ST亞太區功率分立器件和模擬產品部區域營銷及應用副總裁Francesco MUGGERI
作者:王瑩時間:2020-06-30來源:電子產品世界收藏

  王 瑩 (《電子產品世界》,北京 100036)

本文引用地址:http://www.5nmn.com/article/202006/414888.htm

  編者按:我國正在大力進行新基建,工業物聯網、汽車充電樁、5G手機等對電力與電源提出了更高的能效要求。與此同時,SiC、GaN等第三代半導體材料風生水起,奠定了堅實的發展基礎。工業物聯網、充電樁、5G手機等需要哪些新電力與電源器件?

  1 市場的增長點

  據IHS Markit預測,2018—2021年,生產和過程工業自動化、電力和能源、醫療設備、樓宇和家居控制市場的年均增長率將達6%左右,而安防和視頻監控應用(大部分屬于自動化)的同期年均增長率接近19%。

  在工業市場中,電源類產品占有超過25%的份額,且市場對電力與電源的需求正在上升。有數據顯示,2020—2030年,電力與電源需求將增長30%。與此同時,世界各國對減少碳 排放做出了堅定的承諾,預計到2030年,二氧化碳排放量將比2010年減少45%。因此,電力與電源從業者在迎來巨大機遇的同時,還需集中精力節約能源,推出更多的綠色能源解決方案。

  2 工業物聯網對電源的需求

  工業物聯網呈現出高度復雜性和差異化的特點。這意味著需要在市場上引入一個新概念,即在本地完成通信、計算的集成系統。為此,人們必須智能地分配電力,以實現自動化生產/綜合數據分析,而這需要高水平的計算能力、感知能力、自然溝通能力。從電源管理的角度看,①需要連續的電力傳輸,所以需要UPS、充電器等。②由于在復雜的物流倉庫里,有數百個機器人上下左右移動,需要給這些機器人充電,所以無線充電正成為這類機器人的需求。③對于協作機器人,需要有能夠連續供電的大型設備。為了不停機,需要最大限度地提升效率,因為不能讓機器人停在某個地方充電2小時,因此,快速無線充電是此類應用的未來主要趨勢。

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  值得一提的是,對于服務器、本地計算和邊緣計算,需要用到分布式電源管理技術。全面的分析方法可以避免設備損壞和系統崩潰。①在這種情況下,需要進行預測性維護以防止此類問題發生。②所有這些級別的計算都需要交給性能強大的服務器來完成,因此,需要獲得連續不間斷的電力傳輸。③所有這些計算能力需要不間斷地分配給周圍的所有傳感設備,因此,復雜系統需要具有連續傳輸的分布式電源,并且需要機器人不停機充電。這些已經在多個層面上創造了巨大的機會,包括電力與能源、電機控制和自動化。

  3 SiC與GaN功率器件的機會

  1)SiC

  SiC器件的明顯優勢是可以在高溫下工作。目前SiC的結溫可達200 ℃,甚至220 ℃,或許還能達到250 ℃。但是封裝限制了性能的發揮,塑料外殼或框架不支持這個溫度。因此,現在一般將SiC產品的工作溫度限制在200 ℃以下。

  SiC器件非常適合在極其惡劣和極差的環境下工作。如果需要工作在非常狹小的空間,而沒有足夠的散熱空間,那么最好使用SiC MOSFET。

  此外,SiC開關性能十分出色,只要對大功率和高壓有要求,SiC是理想之選。

  但是,還有一個因素影響客戶的決定,即SiC是否真的物有所值?其創造的價值是否值得客戶支付更高的成本?因此,人們還需要計算投資回報率。例如,如果將SiC器件部署在中國市場上的電動自行車等商品中,可能永遠無法獲得合理的投資回報。所以在這些應用中,傳統的Si解決方案的市場地位無法撼動。但對于高端工業應用,工作溫度優勢明顯的SiC就更適合,例如電信設備、供電站和充電站,以及太陽能等。

  2)GaN

  GaN器件也有一定的市場空間。GaN的優勢在于開關頻率很高。這意味著可以使用尺寸更小的無源元件,因此如果需要減小外形尺寸,例如手機充電器或人們不想攜帶大尺寸的產品,這時GaN將發揮重要作用。

  不過,直到今天,GaN仍然不能支持很高的電壓。

  例如盡管有這方面的研究,但在1 200 V市場上還沒有GaN產品投放。當今市場上大多數GaN產品的最大電壓約為600 V和700 V。由于技術本身的原因,GaN器件的電壓能力仍然存在一些限制,但GaN可以滿足降低開關損耗的需求。

  可以肯定的是,GaN將在未來取代Si基產品而占據更大的份額。但是,目前這項新興技術尚未成熟,這意味這塊市場還需要大量的投資。因此,GaN的市場和應用的滲透率還較低。例如,GaN先是用于充電器、電源適配器,然后用于其它解決方案,諸如低功耗服務器。但是,如果優化投資回報率,GaN技術優勢將會變得更大。

  3)GaN和SiC的工業功率市場

  據統計,從2018—2025年,SiC MOSFET在工業領域會保持2位數的年均增速。對于亞洲市場,據ST估算,2019年SiC工業市場規模是1.5 億美元,這是一個非常樂觀的數字。GaN有一些應用,例如一些公司推出的充電器和用于圖騰柱技術的設備,現在亞洲區工業GaN市場規模不到2 500萬美元。

  以下介紹一下ST推出的SiC和GaN新產品,分別針對充電樁和手機充電器。

  4 ST的直流充電樁SiC解決方案

  ST正提供創新的直流充電站解決方案——15 kW雙向PFC(3級T型),可謂面向充電樁的里程碑式的解決方案。它采用SiC器件和數字控制,即STPOWER系列產品和STM32G4 MCU,可把能效提高到更高水平。相比IGBT等的解決方案,ST的SiC產品能夠將能效提高0.5%。這個數字也許看起來微不足道,但這不僅是數字的問題,因為:①當能效接近100%時,提高0.5%并不容易,實際上是可觀的節能改進;②從總擁有成本角度看,每個電路板每年可節省150美元。

  眾所周知,SiC比Si基產品價格高,為何能節省成本?首先因為SiC板的無源元件成本較低,因此,整個電路板的BOM(物料清單)成本略高出20%~30%。其次,由于能效提高0.5%,對于350 kW的高功率充電樁/充電站,假設只運行半天,則節省的能源是:

  350 kW × 12 h × 0.5% = 21 kW·h

  如果這些充電站一年365天都充電,并且假設電路板使用壽命是5年,則

  21 kW·h × 365 × 5= 38.3 MW·h

  在中國,電價約為0.09美元/ kW·h。假設每個充電樁有24塊充電板,則

  38.3 MW·h × 0.09美元/kW÷24=143.6美元≈150美元

  這說明節能對于每塊板卡是多么重要,哪怕只是耗散功率降幅很不起眼。另外,中國可能需要100萬座350 kW充電樁的充電站,這將節省可觀的電能。

  ST此次推出15 kW PFC解決方案,使充電樁和直流轉換功率達到350 kW。ST的下一步目標是增加每塊板的輸出功率,因此正在設法將每塊板的功率提高到(20~30) kW。

  5 手機GaN充電器—— 65 W Type-C方案

  ST的65 W Type-C&PD充電器主攻高端手機充電器市場,能效可達93%~94%,對于普通手機,充電時間可少于30分鐘。該產品采用GaN FET半橋驅動和SiP,因此整個方案的尺寸相當于1元硬幣的大小, 如果將縱向變壓器換成橫向變壓器,縮減效果會更好,ST目前正在嘗試這方面的研發。

  (注:本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第1頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)



關鍵詞: 202007 工業電源

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