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。
充电桩、工业物联网、手机需要哪些新电力与电源器件？近日，ST（意法半导体）亚太区功率分立器件和模拟产品部区域营销及应用副总裁Francesco MUGGERI接受了电子产品世界记者的采访，分享了对工业市场的预测，并介绍了ST的新产品。
ST亚太区 功率分立器件和模拟产品部 区域营销及应用副总裁 Francesco MUGGERI
1 工业电源市场的增长点
工业领域中有几个细分市场增长迅速（如下图）。据IHS Markit预测，2018—2021年，生产和过程工业自动化、电力和能源、医疗电子、楼宇和家居控制等市场的年均增长率将达6％左右，而安防和视频监控应用（大部分属于自动化方面）的同期年均增长率将近19％。
图：部分高增长的工业市场（SAM: 可服务市场，来源：IHS Markit）
其中，电力器件在工业市场中占1/4江山，且市场对电力的需求正在上升。有数据显示，2020—2030年，电力需求将增长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，必须获得自动化生产线和综合数据分析，而这些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。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℃。但是封装限制了这项性能，塑料外壳或框架不支持这个温度。因此，现在ST将SiC产品的工作温度限制在200℃以下。
图：ST的SiC MOSFET封装
SiC器件非常适合在极其恶劣和极差的环境下工作。如果器件工作在非常狭窄的空间，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就更适合多种应用，例如电信设备，供电站和充电站，以及太阳能等。其它的工业应用将沿用传统的硅解决方案。
2）GaN
GaN器件也有一定的市场空间。GaN的优势在于其开关频率非常高。高开关频率意味着可以使用尺寸更小的无源元件。这意味着如果需要减小外形尺寸，例如手机充电器或者你不想携带大尺寸的产品，这时GaN将发挥重要作用。
直到今天，GaN仍然不能支持很高电压。尽管有这方面的研究，但在1200 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要求。
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较低。例如，GaN先是用于充电器、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在工业功率市场
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2500 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 节省150 美元的直流充电桩SiC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，开发设计PFC产品，该方案可以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从成本角度看，每个电路板可节省总拥有成本150美元。
众所周知，SiC比Si基产品价格高，为何能节省成本？因为SiC板子的无源元件成本较低，是一种成本补偿。因此，包括无源和有源半导体元件在内，电路板的BOM（物料清单）成本略高出20%~30%。那么，150 美元哪里来的？
具体地，高功率充电站通常是350 kW。一辆典型的电动汽车的充电功率约为120 kW，充电80%~90%时只需约20~25分钟。在这种情况下，假设这些充电站只运行半天，而不是一整天，所以每天充电总用电量是：
350 kW x 12 h
如果ST的解决方案能节省能耗0.5%，则节省的能源是：
350 kW x 12 h x 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 x 365 x 5 = 38.325 MW·h
以中国为例，电价约为0.09美元/ kW·h。假设每个充电桩有24块充电板，则
38.325 MW·h x 0.09 美元/kW ¸ 24=143.7 美元
可见，每块板子的节能效果接近150 美元。
所以如果只看元件本身或IGBT改用SiC MOSFET，成本会提到，但是总拥有成本带来了降低。这也说明节能对于每块板卡是多么重要，哪怕只是耗散功率降低幅度很不起眼。
在中国市场做一个测算，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。而BOM成本只拉高了20%~ 25%，这是非常合理的。
“这是一个里程碑式的解决方案，现在市场上还没有友商能提供达到这种组件级别的集成解决方案。” MUGGERI先生说。
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充电器方案——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。
从技术角度，65 W Type-C™的创新有二点：①采用GaN FET半桥驱动； ②使用SiP。其尺寸如下图，可见该方案的高度比2个iPhone手机略低，而整个方案的尺寸相当于1元硬币的大小（如下图）——尺寸小到令人惊叹。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。
其中采用了650V GaN HEMT高压半桥驱动SiP。实际上，ST还投资了GaN HEMT SiP。对于GaN封装，ST有一个清晰的产品路线图，涵盖充电器和其它看重功率密度的设备和应用。ST还有一个非常清晰的GaN分立器件市场战略，瞄准(3~120) mΩ电阻区间的100 V和650 V两块市场（如下图）。
6 背景：ST的电力与能源业务
据IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算（基于制造和过程自动化、电力与能源、楼宇和住宅控制、以及其他行业的数据），ST在工业用功率分立器件领域排名第二位。
下图是ST亚洲的电力和能源市场增长情况，可见近两年可服务的市场的发展速度不断加速。
ST为直流充电桩及工业用电提供很多领先的解决方案，包括如下几部分。
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