顺应“双碳”战略下电动汽车和可再生能源的发展趋势，安森美（onsemi）近年来聚焦智能电源和智能感知两大核心技术，在汽车电汽化和汽车安全、可持续能源网、工业自动化以及5G和云基础设施等领域加速创新，致力于引领并创建一个更加安全、清洁、智能的世界。
不久前，管理咨询公司麦肯锡公司在《麦肯锡2023科技趋势展望》报告中，介绍了2023年最受关注的15项技术趋势。报告指出，2022年全球的招聘岗位较2021年减少了13％，但与报告中提到的15项技术趋势相关领域的招聘岗位在2022年却增加了15％，这其中就包括可再生能源。
报告指出，在2021年于格拉斯哥举行的联合国气候变化大会（第26次缔约方会议，COP26）上，共有64个国家承诺或立法在未来几十年内实现净零排放。而电气化和可再生能源技术正是实现净零承诺的基础，包括太阳能、风能、水力能源和其他可再生能源如核能、氢能等。
由于成本下降，预计可再生能源的大部分增长将来自太阳能和陆上风能。预计到2050年，它们将分别占发电量的43%和26%。由于许可限制和政策障碍，海上风电预计仍将限制在全球发电量的7%以下。
当前，很多大型企业因政策和法规要求，正在进行ESG转型——即从环境（Environment）、社会（Social）和公司治理（Governance）3个维度评估企业经营的可持续性与对社会价值观念的影响。欧盟已出台严格的ESG法规，对供应链提出了可持续性要求，核心是需要企业管理供应链上的碳足迹；一些大型跨国公司可能拥有数百家供应商，确保供应链上的可持续性管理将是一项巨大的挑战。
此外，诸如电厂等公用事业企业也面临着转型，一方面要布局更多新能源，从传统的化石能源转向再生能源；另一方面要考虑新能源如何通过电网传输到用户端，这一过程需要解决储能、解决新能源稳定性等问题。
顺应“双碳”战略下电动汽车和可再生能源的发展趋势，安森美（onsemi）近年来聚焦智能电源和智能感知两大核心技术，在汽车电汽化和汽车安全、可持续能源网、工业自动化以及5G和云基础设施等领域加速创新，致力于引领并创建一个更加安全、清洁、智能的世界。
在近日举办的安森美可再生能源应用技术大会上，就能源生产、储能分配、智慧能源系统等相关议题进行了深度探讨，安森美亚太区应用工程技术总监Hector Ng在接受《电子工程专辑》采访时表示，目前整个风光储能以及可再生能源应用行业，最期待的是能够进一步提高功率器件效率、可靠性的同时降低成本。“为此，安森美与很多领先的能源应用企业成立了联合技术应用实验室，基于应用需求研发的新产品，更符合市场定位和需求。”
安森美亚太区应用工程技术总监Hector Ng
在碳化硅功率方案上的创新
在工业、汽车（如电动汽车充电基础设施）和可再生能源（如太阳能光伏）应用中，传统的硅基MOSFET 技术、分立式封装和功率模块的进步有助于提高能效并降低成本。然而，平衡成本和性能对于设计人员来说是一项持续的挑战，必须在不增加太阳能逆变器的尺寸或散热成本的情况下，实现更高的功率。
然而，由于硅基半导体器件已接近其理论极限，在新应用中它们正逐渐被碳化硅（SiC） 和氮化镓 (GaN) 等宽禁带 (WBG) 半导体取代。
今年安森美推出了最新一代1200 V EliteSiC 碳化硅M3S器件，全系列包括有助于提高开关速度的EliteSiC MOSFET和模块，以适配越来越多的800 V电动汽车车载充电器（OBC）和电动汽车直流快充、太阳能方案以及能源储存等能源基础设施应用。
据介绍，这系列采用半桥功率集成模块（PIMs）的新型碳化硅器件，具有超低Rds（on），采用标准F2封装，适用于工业应用DC-AC、AC-DC和DC-DC大功率转换阶段。其中车规级型号专用于高达22 kW的大功率OBC和高压至低压的DC-DC转换器。
此外针对不同电池电压，安森美还提供从650V、900V、1200V到1700V的SiC Diode和SiC MOSFET产品线。目前火爆的800V电池架构，安森美的1200V M3S EliteSiC可轻松应对。
而在太阳能和储能领域，安森美 EliteSiC SiC MOSFET和基于IGBT的高密度功率集成模块也被上能电气（Sineng Electric）用在其公用事业级太阳能逆变器和 200 kW 储能系统（ESS）中。
“组串式逆变器用于储能市场是比较新兴的做法。这个需求源于一些原本做光伏的客户转做储能时，市面上没有针对200-300kw储能的组串逆变器方案，于是用原本的光伏逆变器模块两块并联在一起做。”Hector说到，这种做法的缺点是成本昂贵，且DC和AC之间的转换是单向，但储能需要支持双向，“安森美得知这个市场需求后，推出了市面上第一款特别针对200kw储能的双向逆变器模块。”
如今，安森美的高性能功率集成模块已能够可满足各种组串式光伏逆变器的需求，配合并推动市场向强大的1500V系统的趋势发展。其中，330kW光伏组串式逆变器，采用安森美改进的PIM，简化设计、降低成本的同时实现了更优系统能效。
碳化硅在充电桩上的应用
充电桩同样是普及可再生能源的重要一环，快充和800V电动汽车平台的出现，让充电桩功率越来越大，从以前的15-20kWh变成了如今主流的30-40kWh，甚至60-80kWh。Hector表示，这一系列变化让硅基产品无法再继续用于充电桩，必须使用碳化硅。
那么充电桩在功率器件和功率模组的选择上，与光伏储能有哪些相同点和不同点呢？“如果功率在30到40kWh的话，还是可以选择单管封装逆变器。但如果功率跑到60到80kWh的话，单管方案无论从安装还是设计上，都很难优化。所以要用到双管方案。” Hector说到。
还要充分考虑到V2G（Vehicle-to-Grid）技术的应用。未来主流的800V电动汽车电子负载功率将会非常大，如果按一般小功率电子负载的做法，把多余的电量转换成热量完全损耗掉，那么就非常不环保。
V2G可实现电动汽车与电网的双向充电和放电。这意味着电动汽车可以通过充电桩将电能存储在车辆电池中，随时随地供车主使用。当电网需求高峰时，车辆电池中的电能可以反向输送到电网中。V2G还可以应用于微电网系统中，在断电情况下提供紧急备用电力。
“V2G技术还可以在能源市场上实现电能的买卖，将多余的电能卖给电网，从而为车主提供经济收益，这一点和太阳能的应用很相似。”Hector说道，安森美目前已有多款高电压SiC MOSFET、谐振转换器和大电流肖特基二极管产品可以支持这样的拓扑结构。
如今直流充电桩（快充）开始大量取代交流充电桩（慢充），但无论从市场整体保有量还是增量来看，充电桩的发展速度都还没有完全赶上新能源汽车的发展速度。
谈到影响充电桩建设普及的主要原因，Hector Ng认为，主要还是充电桩属于基础建设，很难在短期内收回成本。但是随着现在电动车的数量越来越多，一些电动汽车企业为了提升用户体验，也开始布局自己的充电桩（站），成为了电网企业充电桩体系的有力补充。“另外随着现在电动车充电电价的提高，也在提升充电桩建设企业的动力，这都会加快充电桩的建设速度。”
“双碳”重点关注领域
随着中国“双碳”目标的提出，各大城市都提出了自己的节能目标和方案。其中写字楼、工厂等商用建筑侧一直是耗电大户，也是节能减排发力的重点，不少方案在强调智慧能源管理的同时，还会布局楼面太阳能发电/储能、能量回收再利用等“自产自销”的方式。
根据IHS的报告，工商业中采用可再生能源增长最快的领域就是各类中功率（50-150kWh）媒体广告的电子展示牌，这个功率级别的应用最适合用楼宇、街道的太阳能发电设施供电。安森美在这类应用上的光伏方案已经成熟，覆盖从几kWh到300多kWh。功率比较低的可以选用IGBT方案，中高功率则可以采用基于SiC的方案。
另外，随着数字化进程的加快，和AIGC大模型等需要高效计算（HPC）应用的兴起，原本就是耗能大户的服务器/数据中心再次站到风口浪尖。国际能源机构(IEA)的数据显示，2022 年全球数据中心用电量为2400~3400 亿千瓦时，约占全球最终电力需求的1%~1.3%。这其中不但有IT设备本身的能耗，还有制冷、配电、照明等环节的能耗。
对这种整体而复杂的系统去做节能降碳，除了提升CPU、GPU的效率，还需要从电源解决方案上入手，让数据中心更“绿色”。
据Hector介绍，“80 plus”是服务器电源能效标准之一，在十多年前刚被提出来时，金规格（80 Plus Gold）已经是最好的了，再后来出现了铂金（Platinum）和钛金（Titanium）规格的要求。“如今越来越多的服务器电源标准，都开始往这些更高的标准上做，也有产品陆续出来。对于安森美这样专注电源的半导体企业来说，我们可以发挥的作用也越来越重要。”
2022年5月，安森美推出了当时全球首款采用TOLL（To-Leadless）封装的650V SiC MOSFET，适用于要求严苛的应用，包括开关电源 (SMPS)、服务器和电信电源、太阳能逆变器、不间断电源 (UPS) 和储能。该器件适用于需要满足最具挑战性的能效标准的设计，包括 ErP 和 80 PLUS Titanium能效标准。
TOLL 封装的尺寸仅为 9.90 mm x 11.68 mm，比此前主流的D2PAK 封装PCB 面积节省了30%。而且，它的外形只有 2.30 mm，比 D2PAK 封装的体积小 60%。
除了更小尺寸之外，TOLL 封装还提供比 D2PAK 7 引脚更好的热性能和更低的封装电感 (2 nH)。 其开尔文源极(Kelvin source)配置可确保更低的门极噪声和开关损耗 – 包括与没有Kelvin配置的器件相比，导通损耗 (EON) 减少60%，确保在具有挑战性的电源设计中能显著提高能效和功率密度，以及改善电磁干扰(EMI) 和更容易进行PCB 设计。
“从大方向来说，随着客户对电源产品的要求越来越高，安森美我们也会配合推出一些新产品，让客户在设计上达到更高的标准。”Hector说道。
全面布局碳化硅
目前在能源市场，SiC的应用快速崛起，其适合高压、大电流的应用特性，能进一步提升电动汽车与再生能源设备系统的效率。
能够从SiC衬底、装配、封装到最终产品的应用设计知识，实现端到端全面覆盖的厂商不多，而安森美就是其中一家。两年前，安森美收购了位于美国的SiC衬底企业GT Advanced Technologies (GTAT)，实现了衬底产能十倍的飞跃。
就在今年10月，安森美在韩国富川的SiC工厂扩建工程正式完工，全负荷生产时，该晶圆厂每年将能生产超过一百万片 200 mm SiC 晶圆。为了支持 SiC 产能的提升，安森美计划在未来三年内雇佣多达 1,000 名当地员工来填补大部分高技术职位；相比目前的约 2,300 名员工，人数将增加 40% 以上。
可以说如今的安森美已经完成SiC的全面布局，无论从产能还是质量上，都能符合太阳能、充电桩、汽车主驱逆变器、车载充电机（OBC）以及数据中心等热门应用市场的需求。
如何看待未来的碳化硅市场？
安森美CEO Hassane El-Khoury此前在接受《电子工程专辑》采访时曾表示，2022-2023年安森美在SiC方面的资本支出会达到总收入的12%-20%，其中75%-80%用于SiC产能扩张。
Hector表示，这么做的原因是如今有越来越多应用需要用到SiC。“所以我们不断扩张产能是为了满足市场的要求。但虽然绝大部分的投资都放在SiC上，但这些投入也会帮助我们的其他硅基产品产品线。举例来说，一些用于SiC模组的先进封装被客户采用后，如果觉得非常好，那么他们也会要求我们用同样的封装开发硅基IGBT产品。”
谈到SiC是否会蚕食原先的硅基功率器件市场，Hector认为，在大功率应用上，两者其实都在成长，“但从增长率来看，SiC确实会更快一些。一个原因是SiC原来的市占基数低，第二个原因是在很多高压大功率的新兴应用领域，硅基产品做不到的事，SiC能做到。”
不过如今在100V以下的应用市场中，以及成本敏感的领域，还是硅基MOSFET的天下，毕竟现在SiC的单品价格还是高于硅基产品的。展望未来，Hector认为SiC和硅基功率器件会长期共存，“我相信短期之内，硅基器件不会完全被第三代半导体替代。”
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