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新基建驱动电力电源的技术升级

—— 访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
作者:王莹时间:2020-06-30来源:电子产品世界bbin视讯娱乐平台官网登入

  王 莹 (《电子产品世界》,北京 100036)

本文引用地址:http://bbinsxylptgwdr.xsb858.com/article/202006/414888.htm

  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 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。

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  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。)



关键词: 202007 工业电源

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