华为:SiC爆发的拐点临近

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-10-13 09:02

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在九月底,华为发布了《数字能源2030》白皮书。他们在白皮书中首先指出,在当前环境下,控制温室气体排放,共同拯救人类家园,控制传统化石能源应用刻不容缓。与此同时,世界经济可持续发展需要可持续性的能源供给,而可再生能源将在此器件承担重任。

“电力电子技术和数字技术成为驱动能源产业变革的核心技术”,华为在白皮书中强调。

他们接着指出,电力电子在电能发输配用的各个环节发挥关键价值。风电、光伏等可再生能源的用途主要是发电,构建以电能为中心,以电网为纽带,以电力电子设备为基础的能源系统是能源产业变革的方向。电力电子设备的优点在于其接口不受限、响应速度快、变换效率高,在电力的生产、传输、消费环节应用广泛。

a) 在电力生产方面, 风电、光伏新能源这些不同于常规同步发电机的电源,难 以直接并网输送,只能采用电力电子变换技术换成频率可调节的交流电,且需要满足上网的质量要求,如光伏逆变器、风能变流器等通过电力电子开关调整电压波形,支持风电、光伏发电并网和提高系统发电效率。

b) 在电力传输分配方面, 长距离输电形式使用智能化的大功率电力电子装备,可以显著提升线路输送水平、改善潮流分布、增强电网供电可靠性,提升电网安全防御能力,从而提高大型电网互联传输的安全可靠性,提升传输效率。

c)配电场景中, 随着大量分布式电源、微电网和柔性负荷接入配电网,“即插即用”的接入要求越来越高,线路无功功率增大,电网高电压、谐波干扰等电能质量问题日益突出,传统配电网电能质量和供电可靠性提升空间有限,难以满足用户高电能质量用电需求。多功能电力电子变压器、直流断路器、直流开关等电力电子装备可以保障不同负荷类型的电能质量和多种电能形式的定制需求。

d) 在电力消费方面, 最主要的变化是分布式电源和储能装置的接入,大量新型 负荷需要直流电源以及需要主动支撑源荷互动,如数据中心、通信基站、电动汽车充电站、计算机设备、LED照明等,高效率,高功率密度,高可靠性,低成本的转换电源和开关设备等正满足用户日益多样的个性化需求和高标准的电能质量治理需求。

基于上述考虑,华为指出,这将带来新型功率半导体应用需求大幅提升。

按照华为的说法,未来的能源系统以可再生能源最大限度地开发利用、能源效率最高为目标,对能源输送和控制的安全、高效、智能等方面提出更高的要求,具体包括适应新能源电力的输送和分配的网络,与分布式电源、储能等融合互动 的高效终端系统,与信息系统结合的综合服务体系等。 这些都需要通过电力电子化设备进行运行、补偿、控制。 目前这些设备中所使用的基本都还是硅基器件,而硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限,无法担负起未来大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任,节能效果也接近极限。

因此华为强调,以碳化硅为代表的第三代半导体功率芯片和器件,以其高压、高频、高温、高速的优良特性,能够大幅提升各类电力电子设备的能量密度,降低成本造价,增强可靠性和适用性,提高电能转换效率,降低损耗。光伏、风电等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车、轨道交通、工业电源、民用家电等领域具有极大的电能高效转换需求,而新型功率半导体在则适应了这一需求趋势,未来十年是第三代功率半导体的创新加速期,渗透率将全面提升。

如碳化硅的瓶颈当前主要在于衬底成本高(是硅的4-5倍,预计未来2025年前年价格会逐渐降为硅持平),受新能源汽车、工业电源等应用的推动,碳化硅价格下降,性能和可靠性进一步提高。碳化硅产业链爆发的拐点临近,市场潜力将被充分挖掘。

据Yole预计,碳化硅器件应用空间将从2020年的6亿美金快速增长到2030年的100亿美金,呈现高速增长之势。我们预计在2030年光伏逆变器的碳化硅渗透率将从目前的2%增长到70%以上,在充电基础设施、电动汽车领域渗透率也超过的80%,通信电源、服务器电源将全面推广应用。

华为同时指出,新材料和数字化重新定义电动汽车驾乘体验和安全。

按照他们的说法,宽禁带半导体全面应用和数字化控制技术全面协同,推进电动汽车极致能效比。随着电力电子技术相关功率器件、拓扑及控制算法的升级,电源部件将达到新的极致高效。尤其是碳化硅等器件新技术、新材料的应用,相比较传统的硅器件,禁带宽度提升3倍,电场强度提升15倍,电子饱和速率提升2倍,导热系数提升3倍,电动车系统级的效率如充电、行驶工况、供电传输、功率变换、加热/制冷、能量回收全链路架构将被持续重构升级。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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