碳化硅写入十四五规划,快充市场成为第三代半导体突破口

2021-03-18 11:51:24 312


2020年,当大多数快充电源厂商还在65W氮化镓快充市场探索时,倍思开创性的推出了业界首款120W氮化镓+碳化硅快充充电器。也正是这款产品,第一次将“碳化硅快充”从设想变为现实,开启了碳化硅在快充领域商用的大门。

 

随后,MOMAXREMAX等厂商陆续跟进,基于碳化硅推出多款百瓦级大功率快充电源,也让越来越多的业内人士和消费者对碳化硅有了更进一步的了解。

 

一、官宣:碳化硅写入十四五规划

 

 

2021年3月13日,新华网刊登了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,其中“集成电路”领域,特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体要取得发展。

 

 

碳化硅和氮化镓都属于第三代半导体宽禁带半导体材料,能够在“十四五规划”中提名,足以说明其重要程度已经上升到了国家的层面。相信在国家的助推下,国内将迅速形成适合第三代半导体发展的环境,前景十分值得期待。

 

二、碳化硅用于快充的优势

 

碳化硅(SiC)是碳和硅的化合物,碳化硅单晶材料目前采用物理气相输运(PVT)法,在超过2000℃的高温下,将碳粉和硅粉通过高温分解成原子,通过温度控制沉积在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。

 

 

作为第三代半导体材料,碳化硅(SiC)与硅(Si)相比,介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高。因此,当用于半导体器件中时,碳化硅器件拥有高耐压、高速开关、低导通电阻、高效率等特性,有助于降低能耗和缩小系统尺寸。

 

碳化硅可以广泛应用于电动汽车、逆变器、轨道交通、太阳能、风力发电、消费类电源等领域。近年来,随着USB PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟,大功率快充电源市场逐渐兴起,碳化硅二极管也开始在消费类电源市场中崭露头角,进入了多款百瓦级大功率快充供应链,助力快充电源实现更高的效率和更小的体积。

 

充电头网了解到,在大功率快充电源产品中,碳化硅二极管主要用于PFC级的升压整流;搭配氮化镓功率器件,可以将PFC级的工作频率从传统快充的不足100KHz提升到300KHz,由此减小升压电感体积,实现高功率密度的设计,同时也让电源的效率得到了大幅提升。



开关电源中,由于整流后采用大容量的滤波电容,呈现容性负载,而在电容充放电时会使电网中产生大量高次谐波,产生污染和干扰,人们开始在开关电源中引入PFC电路,功率在75W以上的开关电源强制要求加入PFC电路以提高功率因数,修正负载特性。

 


PFC分为被动式和主动式两种。被动式采用大电感串联补偿,主要缺点是体积大,且效率低。随着近年来半导体器件迅猛发展,被动式PFC被主动式PFC全面取代。主动式PFC采用PFC控制器、开关管、电感和二极管组成升压电路,具有体积小,输入电压范围宽,功率因数补偿效果好的优点。


因此,碳化硅在消费类电源领域的关注度越来越高,并逐渐成为了大功率快充产品的核心竞争力。

 

三、快充市场碳化硅供应商

 

充电头网通过调研了解到,目前市面上可用于大功率USB PD快充电源领域的碳化硅有五家供应商,分别是Alpha Power Solutions创能动力、Global Power泰科天润、Maplesemi美浦森、SGKS森国科以及PY平伟。

 

 

以下排名不分先后,仅按照品牌首字母排序,方便读者查阅。


Alpha Power Solutions 创能动力

 

 

Alpha Power Solutions (APS) 成立于2017年,2019年总部由香港迁至上海,是国内率先成功开发出碳化硅6英寸晶圆制造技术的企业,结合专有的关键SiC工艺,专注于制造大功率SiC器件。截至目前,公司已开发出三十多种产品,自主拥有发明和应用专利逾30项。现有业界领先的量产SiC二极管产品,其最高电压至3300V,电流最高至50A。

 

Alpha Power Solutions是国内率先在硅晶圆代工厂成功试产6英寸碳化硅晶圆的公司;国内率先在碳化硅二极管生产上采用Thinning Technology工艺 的公司;国内率先拥有自主专利的JBS架构(Buffer JBS);国内率先在产品性能和品质上向国际厂家看齐的碳化硅器件供应商。

 

据报道,创能动力推出的碳化硅二极管ACD06PS065G,可用于太阳能逆变器,AC/DC转换器,DC/DC转换器和不间断电源等。值得一提的是,该器件还参与了业界首碳化硅+氮化镓快充的开发,让碳化硅正式在消费类电源领域实现商用。

 

 

 

泰科天润半导体科技(北京)有限公司是中国碳化硅(SiC)功率器件产业化的倡导者之一。泰科天润致力于中国半导体功率器件制造产业的发展,并向全球功率器件消费者提供优质的半导体功率器件产品和专业服务。

 

泰科天润在北京拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂,并在湖南浏阳建成6英寸碳化硅功率芯片生产线,可在4/6英寸SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。作为国内碳化硅研发生产和平台服务型公司,泰科天润的产品线涉及基础核心技术产品、碳化硅成型产品以及多套行业解决方案。

 

目前泰科天润的碳化硅器件650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A等系列的产品已经投入批量生产,并推出了两款快充PFC电路专用的碳化硅二极管,产品质量完全可以比肩国际同行业的先进水平。

 

泰科天润通过与产业同行、科研院所、国内外专家共同探索与开发,正在将SiC功率器件推广到更多更广的应用领域。

 

 

 

美浦森半导体成立于2014年,是一家集研发、设计、生产、销售和服务为一体的完整型产业链公司,国家级高新技术企业,主营功率MOS、中低压MOS、超结MOS、碳化硅MOS、碳化硅二极管等系列产品。

 

美浦森半导体专注于设计、开发、测试和销售基于先进的 Planar VDMOS、Trench MOS、SJMOS、SiC SBD、SiC MOS等工艺结构的功率器件产品。以消费类电子、工业领域、新能源领域等为市场目标,致力成为世界一流的功率元器件公司。

 

据了解,美浦森推出了PFC电路专用碳化硅二极管,具备650V耐压和175度的耐温,目前已经进入MOMAXREMAX两大知名配件品牌供应链,性能获得客户一致认可。

 

SGKS森国科

 

 

深圳市森国科科技股份有限公司成立于2013 年11 月,属于无晶圆半导体设计企业。公司总部设在深圳市南山区科技生态园,在深圳、成都设有研发及运营中心。

 

森国科成立以来,推出了Vision-ADAS(高级辅助驾驶)、AI记录仪、电源系列芯片,在汽车及消费性电子产业得到了广泛的应用。2018年公司开始投入电机驱动芯片与SiC功率器件的开发,2020年产品已经开始在市场暂露头角。

 

森国科在4G记录仪、ADAS、智能猫眼门铃等市场提供整体芯片与系统解决方案,为客户提供一站式服务,为上下游合作伙伴创造更多机会。


PY平伟

 

 

重庆平伟实业股份有限公司是一家集芯片设计、封测、应用与可靠性检测服务一体化的功率半导体IDM产品公司。公司以功率半导体器件为产业基础,面向智能终端、工业控制、物联网、新能源汽车、5G通讯、家电、卫星互联网、安全电子、绿色照明等市场领域,建立了产品开发、制造和测试平台,提供高可靠性的中低压和高压功率器件、模块等产品和系统解决方案。

 

平伟位于重庆市梁平工业园区,专业生产各类半导体器件,包括整流二极管、快恢复二极管、TVS、齐纳二极管、肖特基、整流桥、MOSFET、IGBT、同步整流器件、SiC及GaN器件等,占地面积24万平方米,注册资金3.5亿元,总投资超过15亿元。

 

公司拥有45条封装生产线和6条中试生产线,建设有自主可控半导体离散型智能制造车间,年产销各类功率半导体器件200亿只,是国内超大的电源配套功率半导体器件综合供应商。

 

针对大功率PD快充的PFC整流电路应用,平伟推出了一款碳化硅二极管PASC0665GG,具有零反向恢复/零正向恢复特性、高效运行、切换速度极快、不受温度影响的开关特性。


四、碳化硅快充案例


凭借其独特的属性,碳化硅已经开始在大功率、高密度快充电源中崭露头角,获得众多快充电源企业青睐。充电头网通过往期的拆解了解到,目前已有倍思120W快充MOMAX 100W 快充,以及REMAX 100W快充率先导入了碳化硅技术,从而也让产品实现了更高的功率密度。

 

1、Baseus倍思2C1A 120W氮化镓充电器

 

 

2020年2月25日,倍思推出全球第一款氮化镓+碳化硅 (GaN+SiC) 充电器,并在kickstarter众筹成功。该产品功率高达120W,并且同样搭配2C1A多口输出配置。倍思Galio 120W充电器中使用的氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)是目前最为先进的电子半导体材料,它们具有高频率特性在高电压大电流传输方面具有优势,这意味着可以达到更高的效率,更低的发热量和更小的体积。

 

 

据了解,倍思Galio 120W充电器在PFC整流电路中采用了一颗来自Alpha Power的碳化硅二极管,产品型号:ACD06PS065G;搭配纳微氮化镓功率器件,由安森美PFC控制器进行主动式功率因数校正。

 

2、MOMAX摩米士100W 2A2C氮化镓快充充电器

 

 

摩米士100W 2A2C氮化镓充电器机身方正扁平,配备可折叠插脚,而且从插脚设计来看,还支持组装其它规格插脚,便携且适用于各个地区。充电器支持QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD和PPS快充协议,并将两类接口设计成支持盲插使用,用户无需刻意寻找快充接口,使用方便。接口支持100W、65W+30W、华为22.5W快充,支持广泛,实用性强。整个产品集便携、易用于一身。

 

 

MOMAX这款充电器采用美浦森MSD06065V1碳化硅二极管配合英诺赛科INN650D2氮化镓开关管以及恩智浦PFC控制器进行主动功率因数校正。据了解,美浦森MSD06065V1是一颗650V耐压的碳化硅肖特基二极管,TO252封装。

 

3、REMAX睿量100W 2A2C氮化镓快充充电器

 

 

REMAX 100W 2A2C氮化镓充电器采用白色机身壳,表面哑光处理,整体看去非常简洁。充电器配有2A2C共4个接口,支持多种常见快充协议,USB-C口和USB-A口分别具备单口最大100W和30W输出,并支持多口同时快充,可以满足笔记本电脑、手机、平板、移动电源等多种设别的充电需求。

 

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充电头网通过拆解了解到,这款充电器内置PFC升压电路,采用LLC+GaN高性能架构。PFC升压部分采用恩智浦控制器,并选择美浦森MSD04065G1碳化硅二极管以及英诺赛科INN650D2氮化镓开关管进行整流。美浦森MSD04065G1是一颗650V耐压的碳化硅肖特基二极管,TO252封装。

 

充电头网总结

 

在传统的PD快充电源中,尤其是百瓦级大功率PD快充,效率一直都是电源工程师亟待解决的问题;而为了实现产品可靠性,多数充电器不得不牺牲体积,加入大面积散热片。这也让产品变得十分笨重,用户体验并不完美;直至第三代半导体在消费类电源领域正式商用,这一情况才得以缓解。

 

在百瓦大功率快充产品中,碳化硅和氮化镓可谓是最佳拍档,二者搭配用于电源前级PFC升压和整流,相对于传统硅器件,不仅效率提升能得到立杆剪影的效果,而且可以利用其高频特性缩小升压电感体积,从而提高产品整体的功率密度。

 

随着大功率设备数量的不断增加,市场对小体积、大功率多口快充的需求也愈发强烈。一方面促进电源架构从常规的QR向高性能的PFC+LLC转型,另一方面也加深了快充电源对第三代半导体的依赖,碳化硅在消费类电源领域的应用前景更为广阔。

 

作为第三代半导体的重要分支,碳化硅在此之前已经在多家厂商中投产,而本次国家将第三代半导体列入十四五规划,这对于碳化硅的发展来说更是一次难得的时代机遇。


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