新基建驱动电力电源的技术升级

　　王 莹 （《电子产品世界》，北京 100036）

　　编者按：我国正在大力进行新基建，工业物联网、汽车充电桩、5G手机等对电力与电源提出了更高的能效要求。与此同时，SiC、GaN等第三代半导体材料风生水起，奠定了坚实的发展基础。工业物联网、充电桩、5G手机等需要哪些新电力与电源器件？

　　1 工业电源市场的增长点

　　据IHS Markit预测，2018—2021年，生产和过程工业自动化、电力和能源、医疗设备、楼宇和家居控制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）的同期年均增长率接近19％。

　　在工业市场中，电源类产品占有超过25%的份额，且市场对电力与电源的需求正在上升。有数据显示，2020—2030年，电力与电源需求将增长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。

　　2 工业物联网对电源的需求

　　工业物联网呈现出高度复杂性和差异化的特点。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，以实现自动化生产/综合数据分析，而这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、充电器等。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。

　　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 SiC与GaN功率器件的机会

　　1）SiC

　　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 ℃。但是封装限制了性能的发挥，塑料外壳或框架不支持这个温度。因此，现在一般将SiC产品的工作温度限制在200 ℃以下。

　　SiC器件非常适合在极其恶劣和极差的环境下工作。如果需要工作在非常狭小的空间，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，例如电信设备、供电站和充电站，以及太阳能等。

　　2）GaN

　　GaN器件也有一定的市场空间。GaN的优势在于开关频率很高。这意味着可以使用尺寸更小的无源元件，因此如果需要减小外形尺寸，例如手机充电器或人们不想携带大尺寸的产品，这时GaN将发挥重要作用。

　　不过，直到今天，GaN仍然不能支持很高的电压。

　　例如尽管有这方面的研究，但在1 200 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需求。

　　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还较低。例如，GaN先是用于充电器、电源适配器，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的工业功率市场

　　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2 500万美元。

　　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 ST的直流充电桩SiC解决方案

　　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，可把能效提高到更高水平。相比IGBT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从总拥有成本角度看，每个电路板每年可节省150美元。

　　众所周知，SiC比Si基产品价格高，为何能节省成本？首先因为SiC板的无源元件成本较低，因此，整个电路板的BOM（物料清单）成本略高出20%~30%。其次，由于能效提高0.5%，对于350 kW的高功率充电桩/充电站，假设只运行半天，则节省的能源是：

　　350 kW × 12 h × 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 × 365 × 5= 38.3 MW·h

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

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

　　这说明节能对于每块板卡是多么重要，哪怕只是耗散功率降幅很不起眼。另外，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。

　　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—— 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。该产品采用GaN FET半桥驱动和SiP，因此整个方案的尺寸相当于1元硬币的大小， 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。

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第1页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）