英飛凌：小尺寸、高效率，廣應(yīng)用——多維度剖析功率半導(dǎo)體（加長文字版）

2021年即將過去，在后疫情時代，我們經(jīng)歷了原材料漲價，芯片漲價，而下游市場依然處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。反之，對于上游的芯片廠商來說，確是熱火朝天的一年。今天，與非網(wǎng)行業(yè)分析師顧子揚連線了英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)高級市場總監(jiān)——沈璐，從行業(yè)到公司、從產(chǎn)品到技術(shù)等多維度剖析英飛凌功率半導(dǎo)體。

顧子揚（與非網(wǎng)）：2021年從國內(nèi)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)來看，有哪些下游行業(yè)的在能源使用效率方面表現(xiàn)的更為高效呢？例如工業(yè)自動化、新能源汽車、家居、樓宇自動化、ATV等等。

 
沈璐（英飛凌）：首先，在整個電能的產(chǎn)業(yè)鏈里，英飛凌的電力電子技術(shù)以及半導(dǎo)體的能力，在整個產(chǎn)業(yè)鏈上扮演著非常重要的角色。我們的產(chǎn)品和解決方案在整個電能的發(fā)電、輸電、儲能和用電方面都有著廣泛的應(yīng)用。

 
當(dāng)然，我們也看到整個行業(yè)在能效提升方面的轉(zhuǎn)變。2021年是一個具有劃時代意義的年份，這是中國正式對外提出雙碳承諾之后的首年。

 
我們也看到了各行業(yè)的客戶已經(jīng)開始全面啟動節(jié)能減排規(guī)劃。毫不夸張的說，2021年是中國能效管理革命的元年。這一年，各行業(yè)節(jié)能減排效率的提升各有側(cè)重點，各有特色，接下來我從三個方面給大家分享一下我們對行業(yè)的觀察。

 
首先，我想從能源的供給端來談。在電能的供給端，隨著這些年的改革變化，新能源的比例在逐漸增加。隨著電子技術(shù)的創(chuàng)新進步，新能源發(fā)電的系統(tǒng)成本在下降，也就是說發(fā)電的能效在提升。以光伏為例，2021年在技術(shù)方面也實現(xiàn)了非常多的突破。

 
從光伏的集中式逆變器來看，單機的功率密度已經(jīng)從3.125兆瓦升級到了4.4兆瓦。在光伏的組串式逆變器上，也是從單機的225千瓦升級到了單機350千瓦這樣的等級。單機功率密度的提升意味著什么？意味著光伏的度發(fā)電成本在下降，為進一步拓寬新能源的發(fā)展空間帶來了很大的助力，也帶來了整個發(fā)電效率的提升。

 
在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，我們也看到了這種能效提升的進步。度電成本在下降，與此同時整個變流器的交流輸出電壓等級也從950伏升級到了1140V，這就意味著整個系統(tǒng)的能耗在下降，能效在提升。

 
同時我們也看到，為適應(yīng)電壓等級的變化，在風(fēng)電變流器側(cè)，我們的電力電子技術(shù)也從拓撲結(jié)構(gòu)的兩電平升級到了三電平。這一系列的改進意味著我們不但能夠提升用電端的能效，也可以提升發(fā)電端的能效，使發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換效率達到98%。

 
2021年對儲能市場來說也是非常利好的一年。很多非常有利的政策正在逐漸落地，例如峰谷的電價差以及十四五階段儲能的裝機目標(biāo)等，都對儲能市場的發(fā)展起到了重要的推動作用。隨著鋰電池技術(shù)的進步，我們看到儲能的度電成本也已經(jīng)降到1元的歷史拐點之下，所以整個儲能市場的爆發(fā)也可以從21年看出端倪。

 
與此同時，儲能技術(shù)的進步以及成本的優(yōu)化也讓很多工商業(yè)用甚至是戶用的光伏用戶看到了光伏儲能、光伏一體機的商業(yè)價值。舉一個最常見的15千瓦的戶用光伏來作為案例，我們看到光儲一體機系統(tǒng)的投資回報率已經(jīng)提升到了將近17%，這與純光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶收益接近持平，甚至是高出一兩個百分點。

 
這些都是在光伏、風(fēng)力發(fā)電以及儲能領(lǐng)域的一些技術(shù)進步。當(dāng)然這些進步都離不開電力電子技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新，在這方面，英飛凌一直在引領(lǐng)創(chuàng)新的步伐。

 
2021年，英飛凌在全球發(fā)布了一款2000伏碳化硅的EasyPACK 3B模塊，這款全球首發(fā)的產(chǎn)品也幫助中國的用戶在全球范圍內(nèi)首次推出了自主創(chuàng)新的350千瓦光伏逆變器。

以上就是在發(fā)電端能效創(chuàng)新的案例。接下來，我們一起探討下跟每個人息息相關(guān)的綠色出行。在智能出行方面，能效的提升主要體現(xiàn)在電動汽車續(xù)航里程的提高。

 
自2021年以來，市場上開始出現(xiàn)了一些以碳化硅技術(shù)為基礎(chǔ)的功率器件產(chǎn)品。這項創(chuàng)新的技術(shù)，有助于提升主機驅(qū)動控制器的能耗控制。

 
能耗的節(jié)約能夠轉(zhuǎn)化成行駛里程的提升，或者續(xù)航里程不變，但是電池的重量和成本能夠下降。

 
英飛凌在2020年就推出了汽車級碳化硅模塊產(chǎn)品——HybridPack Drive模塊。這款產(chǎn)品在實際的案例中，幫助用戶將行駛里程提升了高達7%，這是在智能出行方面。

 
最后可以談一下每個家庭都會用到的家用電器。2020年，我國出臺了史上最嚴的空調(diào)能效新標(biāo)，所有的傳統(tǒng)定頻機型以及變頻的第三級都會在2020年7月停止生產(chǎn)，2021年7月停止銷售，這在中國家用電器能效改善方面是非常大的舉措。

 
目前，我們預(yù)計2021年家用空調(diào)的變頻率將會從上一年度的60%全面提升到97%， 這是一個非常大的進步。初步的測算是這種新的能效標(biāo)準(zhǔn)對于空調(diào)的能效提升可以達到平均20%，這是一個什么概念？

 
以最常見的1.5匹家用空調(diào)為例，在老的能效國標(biāo)一級下，成本相當(dāng)是每度電一元錢。那么在新的一級能效之下，可能電費使用量只有0.5毛錢，可以說我們看到了長足的進步。在家用電器領(lǐng)域，英飛凌能夠提供從電機控制、功率控制、觸摸控制，再到藍牙無線以及傳感等各方面的產(chǎn)品，可以說是能夠提供全產(chǎn)業(yè)鏈半導(dǎo)體解決方案的一家公司，所以我們的產(chǎn)品也將會助力整個中國家用電器節(jié)能減排的大方向。

顧子揚（與非網(wǎng)）：就您的觀察，2021年工業(yè)能效改善技術(shù)在哪些應(yīng)用領(lǐng)域有方向性的進展？例如工業(yè)驅(qū)動、機器人技術(shù)、新能車、快充等等，其背后的驅(qū)動力又有哪些呢？比如IGBT、碳化硅等等。

 
沈璐（英飛凌）：除了剛才提到的新能源發(fā)電方面，整體能效提升體現(xiàn)在度電成本的下降，在綠色出行方面體現(xiàn)在續(xù)航里程的提高，在家用電器方面體現(xiàn)在變頻率的提升。

 
此外，在工業(yè)驅(qū)動市場，2021年，很多用戶都把變頻器和伺服做得尺寸更小更緊湊，成本更優(yōu)，有的甚至把尺寸縮減到原來的40%左右。之所以能夠做到這些，也是源自于功率半導(dǎo)體器件的技術(shù)創(chuàng)新。整體來說，能夠成就以上提到的所有這些能效提升，主要來自于三方面的技術(shù)驅(qū)動。

 
首先是功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的功率密度在提升，這主要源自于芯片技術(shù)的創(chuàng)新。英飛凌IGBT 7產(chǎn)品是最新一代基于微溝槽柵技術(shù)的芯片技術(shù)。我們的產(chǎn)品在助力產(chǎn)品向小型化方向發(fā)展的進程中功不可沒，主要就歸功于于 IGBT 7的芯片，其導(dǎo)通損耗比IGBT 4節(jié)約了近20%。

 
同時我們也基于電機控制的應(yīng)用需求，對芯片的開關(guān)損耗做了特別的設(shè)計優(yōu)化，可以在過載的條件下實現(xiàn)整個芯片高達175度的工作結(jié)溫，這就讓整個輸出電流的能力可以提升到40%。

 
2021年，IGBT 7產(chǎn)品針對于電機控制的應(yīng)用，我們的系列已經(jīng)完全實現(xiàn)量產(chǎn)，最大的Econo封裝，搭載IGBT 7芯片，可實現(xiàn)最大300安培，所搭載的電機負荷可從原先的37千瓦，升級到最新的55千瓦，能夠幫助用戶大幅縮減變頻器尺寸，從而優(yōu)化變頻器和伺服的產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)，在更多的應(yīng)用場景推廣變頻器產(chǎn)品的使用，為行業(yè)全面迎接節(jié)能減排做好技術(shù)方面的儲備。

 
從2021年技術(shù)驅(qū)動的角度來說，第二點是來自于第三代寬禁代半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)能夠幫助我們進一步提高功率密度，降低系統(tǒng)損耗，優(yōu)化系統(tǒng)的體積，以及簡化系統(tǒng)的設(shè)計，帶來非常卓越的改善。

 
英飛凌的碳化硅產(chǎn)品在2021年剛好也迎來了商業(yè)實踐的第20個周年。在過去的4年里，英飛凌的碳化硅產(chǎn)品營收實現(xiàn)了6倍的增長，目前已經(jīng)發(fā)布了200款碳化硅產(chǎn)品，其中有130多款都是基于客戶聯(lián)合創(chuàng)新的定制產(chǎn)品。

英飛凌的碳化硅是基于溝槽柵技術(shù)的一款高科技產(chǎn)品，我們更多地是關(guān)注在保證產(chǎn)品性能的同時，追求碳化硅的可靠性，這實際上也是碳化硅產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的一個痛點。

經(jīng)過多年對可靠性的研究，英飛凌在2021年發(fā)布了有關(guān)碳化硅可靠性的白皮書，希望能夠跟業(yè)界一起來分享我們多年的技術(shù)積累和知識理解。

 
第三個技術(shù)驅(qū)動主要是來自于變頻技術(shù)，從工業(yè)再進一步的向民用進行普及。也就是剛才提到的家用電器。我們看到，不僅家用空調(diào)在采用全直流變頻的技術(shù)，與此同時在一些大戶型以及商業(yè)超市也有采用的這種小多聯(lián)變頻的跡象，還有一些大型的商業(yè)空調(diào)都在采用更多的電力電子的器件來助力實現(xiàn)全面的節(jié)能減排。

 
英飛凌在這一領(lǐng)域里面提供的產(chǎn)品線非常齊全，從650V的IPM模塊一直到1200伏的 Easy和 Low Power Econo的IGBT模塊，實際上都可以幫助用戶在節(jié)能設(shè)計上實現(xiàn)自己的減排目標(biāo)。

 
以上就是我認為的三個技術(shù)驅(qū)動因素。

 
顧子揚（與非網(wǎng)）：面對全球缺芯的情況下，英飛凌在全球采取了哪些措施以應(yīng)對芯片供應(yīng)緊張的情況，尤其在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，是如何為供應(yīng)鏈?zhǔn)婢徚藟毫δ兀?/p>

 
沈璐（英飛凌）：對于2021年的缺芯大潮，我們看到有很多業(yè)界的分析，我也同意大家的觀點，就是說這些缺芯主要來自于行業(yè)上下游對市場需求的錯判以及供應(yīng)鏈管理的缺位。

 
2021年我們非常忙，忙著幫助客戶在保供生產(chǎn)，短期內(nèi)我們需要緊鑼密鼓的去重新優(yōu)化我們的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，更好地去應(yīng)對客戶的一些緊急需求。同時我們還要不遺余力地跟客戶共同分析行業(yè)中長期的市場需求，更好地進行庫存預(yù)測。

從集團的角度，英飛凌也在積極布局全球供應(yīng)鏈，以確保更多的產(chǎn)能投資到位。有一個好消息：英飛凌位于奧地利菲拉赫的全球第二座12英寸功率半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)廠已經(jīng)于2021年9月份提前啟動了量產(chǎn)。原計劃的時間點是2021年底，但考慮到全球供應(yīng)的緊迫性，我們也把量產(chǎn)時間緊鑼密鼓地排產(chǎn)到了2021的9月。我想這應(yīng)該也算是在全球范圍內(nèi)繼2020年缺貨潮以來，首批能夠進入量產(chǎn)的12英寸功率半導(dǎo)體工廠。

 
這是我們?nèi)虻诙?2英寸功率半導(dǎo)體工廠，是2018年集團在缺貨時期下定決心立足長遠的一項投資。英飛凌擅長做長期穩(wěn)健投資，而且我們在供應(yīng)鏈上的布局一直超前于業(yè)界同行。2022年我們在供應(yīng)鏈方面的投資將會超過24億歐元，重點在前道的制造上。

 
當(dāng)然在后道我們也在積極布局。在中國的后道工廠，即無錫的英飛凌工廠，幾年以前就已經(jīng)開始設(shè)立IGBT的生產(chǎn)線，從EasyPACK1B、 2B模塊工業(yè)產(chǎn)品開始，如今我們還會繼續(xù)拓展一些汽車級的模塊以及 IPM模塊的生產(chǎn)線，所以在不久的未來，在完成擴產(chǎn)之后，無錫也會將成為英飛凌在全球最大的IGBT生產(chǎn)基地之一。

 
此外，英飛凌還在積極投資一些創(chuàng)新的技術(shù)，從而能夠更好地推動生產(chǎn)效率和良率的提升。三年前我們收購了一家碳化硅冷切割技術(shù)的高科技公司，英飛凌也在不斷對其技術(shù)的應(yīng)用進行長期投入。近期我們也得到一些好消息，首批測試產(chǎn)品已經(jīng)完成了生產(chǎn)的資格，接下來也會用一個試生產(chǎn)線來加大量產(chǎn)的速度。

 
這種冷切割的芯片切割技術(shù)，對于碳化硅來說，非常高的價值在于可以大大的減少對硅錠原材料的浪費，所以我們可以用同樣數(shù)量的原材料切割成加倍的晶圓來供生產(chǎn)。未來我們也會對這項技術(shù)做進一步的優(yōu)化，以更好地用在硅晶圓的產(chǎn)能提升上，相信這樣一些技術(shù)方面的投資，也有助于從長遠期解決芯片短期供應(yīng)的問題。

顧子揚（與非網(wǎng)）：展望2022年，工業(yè)能源使用效率的提升，在哪些方面會有趨勢性的發(fā)展？相關(guān)的器件或產(chǎn)品又將有哪些創(chuàng)新技術(shù)、新材料在其中發(fā)揮一些影響？

沈璐（英飛凌）：在能源需求方面，電能占終端能源消費的比重在日益提高。2050年之前，我們認為這一比例有望提高到60%以上。在能源和交通實現(xiàn)全面低碳化的大潮中，我們也面對很多不確定性。舉例來說，針對于這種高比例的可再生能源以及不斷波動的電力負荷，儲能技術(shù)就會成為一個非常重要的關(guān)鍵技術(shù)，助力我們在全面實行能源轉(zhuǎn)型和低碳化的進程中應(yīng)對更多的挑戰(zhàn)。

 
2022年，展望儲能，我們一方面在迎接更大規(guī)模的光伏整縣推進政策的落地，與此同時，電動汽車的發(fā)展也非常迅猛。所以我相信2022年光伏和儲能一體化的設(shè)計，甚至是光伏儲能充電一體化的儲能變流器將會成為行業(yè)熱點，這就對變流器能源轉(zhuǎn)換效率的提升，提出了非常高的要求。

 
所以，直流輸入和交流輸出電壓等級將會以1500伏的電壓為主流，與此同時也需要有更高效率的功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，以滿足系統(tǒng)效率提升的要求。

 
英飛凌的IGBT 7產(chǎn)品在2022年將會進入更多的功率段，在更高的電壓等級以及更大的功率段上，用模塊的方式去實現(xiàn)，從而能夠更好地滿足儲能系統(tǒng)對于大功率功率半導(dǎo)體的需求。舉例來說，英飛凌已經(jīng)量產(chǎn)的基于IGBT 7技術(shù)的62毫米的標(biāo)準(zhǔn)封裝產(chǎn)品，已經(jīng)在國內(nèi)龍頭的儲能系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這是我看到的跟儲能相關(guān)的未來趨勢。

從充電的角度來說，為更大幅度地減少充電時間，目前業(yè)內(nèi)直流的充電樁已經(jīng)從單機功率120千瓦開始突破到240千瓦，甚至是360千瓦。與此對應(yīng)的充電樁的功能模塊，也從傳統(tǒng)的15千瓦、20千瓦，開始繼續(xù)升級到30、40 甚至是60千瓦。那么這當(dāng)中，功率半導(dǎo)體IGBT的模塊就有機會取代現(xiàn)有的IGBT單管，同時碳化硅的應(yīng)用也有助于進一步地提升能效。

除直流充電以外，在交流的 OBC充電領(lǐng)域，我們也同樣看到功率升級的趨勢，從傳統(tǒng)的2.2、3.3千瓦也，在繼續(xù)往6.6甚至11千瓦升級。這也就意味著整個系統(tǒng)會迎接更大的功率，而電池電壓也在從400伏，向著800伏在做積極的準(zhǔn)備。

 
在這樣一個更快、更高效的充電需求的環(huán)境下，碳化硅產(chǎn)品可以說是最好的產(chǎn)品，英飛凌也專門針對快充，定制了一款基于Easy模塊的碳化硅模塊。

 
最后，我想提一下數(shù)據(jù)中心，其實數(shù)據(jù)中心的能耗是非常大的。2021年耗電量大概是937億度電。也就是說大部分能耗其實是來源于IT設(shè)備的消耗，但是整個電源的輸電結(jié)構(gòu)、配電結(jié)構(gòu)也決定了整個數(shù)據(jù)中心的能效。所以我們看到一個新的趨勢，有可能會由現(xiàn)在的傳統(tǒng)UPS的配電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成以電力電子變壓器SST為主要接口的一體化的供電，是直流供電系統(tǒng)。

 
基于碳化硅技術(shù)，有助于這種電力電子變壓器直接將10千伏的市電轉(zhuǎn)化成380伏的直流。就當(dāng)前實際已經(jīng)開始使用的案例來看，供電效率能夠提升到95%以上，而直流配網(wǎng)的效率也可以提升到97%以上，所以相信在這一領(lǐng)域，未來在2022年也會有更多長足的發(fā)展和驗證。在這一進程中，我們也非常期待用英飛凌先進的碳化硅技術(shù)，保障數(shù)據(jù)中心的供電連續(xù)性和安全性。

 
以上就是我對2022年的一個看法。

 
總體來說，英飛凌的產(chǎn)品和解決方案，對于整體社會的二氧化碳減排是頗具意義的。我們目前的預(yù)測是能夠幫助社會和客戶實現(xiàn)每年約5600萬噸的二氧化碳減放量。這是什么概念呢？2020年，中國二氧化碳排放量約為18億噸，也就是說英飛凌的產(chǎn)品和解決方案可以幫助完成3%的減放。

 
當(dāng)然我相信，隨著未來二氧化碳減排趨勢在各個行業(yè)的普及，這一比例還會繼續(xù)提高。

 
此外，作為一家具備高度社會責(zé)任感的企業(yè)，英飛凌也提出了將于2030年完成碳中和的目標(biāo)。英飛凌也是半導(dǎo)體行業(yè)中率先提出碳中和目標(biāo)的一家公司。

以上就是我今天的分享，謝謝。

顧子揚（與非網(wǎng)）：非常感謝沈總今天帶給我們的精彩分享，希望英飛凌未來能夠在產(chǎn)品和技術(shù)上帶給我們更多的驚喜，與非網(wǎng)也會進一步關(guān)注，謝謝沈總。