新基建与节能驱动电力电源变革,ST祭出一揽子解

来源:未知 作者:变压器容量计算方 时间:2020-07-08 11:38 点击量:

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我国正在鼎力进行新基建,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,奠基了坚实的成长根基。

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物部区域营销及应用副总裁Francesco MUGGERI接管了电子产物世界记者的采访,分享了对工业市场的展望,并介绍了ST的新产物。

1 工业电源市场的增进点

工业范畴中有几个细分市场增进敏捷。据IHS Makit展望,2018—2021年,生产和过程工业主动化、电力和能源、医疗电子、楼宇和家居掌握等市场的年均增加率将达6%阁下,而安防和视频监控应用(大部门属于主动化方面)的同期年均增进率快要19%。

个中,电力器件在工业市场中占1/4山河,且市场对电力的需求正在上升。稀有据显示,2020—2030年,电力需求将增进30%。与此同时,世界列国对削减碳排放做出了果断的承诺,估计到2030年,二氧化碳排放量将比2010年削减45%。是以,电力与电源从业者在迎来伟大机会的同时,还需集中精神节约能源,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别化的特点。这意味着需要在市场上引入一个新概念,即在内陆完成通信、计较的集成系统。

值得一提的是,对于办事器、内陆较量和边缘较量,需要用到分布式电源治理手艺。周全的阐明方式或许避免设备损坏和系统溃散。①在这种情形下,需要进行展望性维护以防止此类问题发生。②所有这些级其余较量都需要交给机能壮大的办事器来完成,是以,需要获得继续不间断的电力传输。③所有这些较量能力需要不间断地分派给四周的所有传感设备,是以,复杂系统需要具有一连传输的分布式电源,而且需要机械人一直机充电。这些已经在多个层面上缔造了庞大的机会,包孕电力与能源、电机掌握和主动化。

电源

3 SiC与GaN功率器件的机会

1)SiC

SiC器件的明明优势是或许在高温下工作。今朝SiC的结温可达200℃,甚至220℃,或许还能达到250℃。然则封装限制了这项机能,塑料外壳或框架不支撑这个温度。是以,此刻ST将SiC产物的工作温度限制在200℃以下。

SiC器件非常适合在极其恶劣和极差的情况下工作。假如器件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开关机能十分超卓,只要对大功率和高压有要求,SiC是幻想之选。

然则,还有一个身分影响客户的决意,即SiC是否真的物有所值?其缔造的价值是否值得客户付出更高的成本?是以,人们还需要计较投资回报率。例如,若是将SiC器件布置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,工作温度优势显着的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器件也有必然的市场空间。GaN的优势在于其开关频率非常高。高开关频率意味着或许使用尺寸更小的无源元件。这意味着假如需要减小外形尺寸,例如手机充电器或者你不想携带大尺寸的产物,这时GaN将施展主要感化。

直到今天,GaN仍然不克支撑很高电压。尽管有这方面的研究,但在1200 V市场上还没有GaN产物投放。当今市场上大多数GaN产物的最大电压约为600 V和700 V。因为手艺自己的原因,GaN器件的电压能力仍然存在一些限制,但GaN或许知足降低开关损耗的要求。

能够必定的是,GaN将在将来庖代Si基产物而据有更大的份额。然则,今朝这项新兴手艺尚未成熟,这意味这块市场还需要大量的投资。是以,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,诸如低功耗办事器。可是,若是优化投资回报率,GaN手艺优势将会变得更大。

3)GaN和SiC在工业功率市场

据统计,从2018—2025年,SiC MOSFET在工业范畴会连结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手艺的设备,而今亚洲区工业GaN市场规模不到2500 万美元。

以下介绍一下ST推出的SiC和GaN新产物,辨别针对充电桩和手机充电器。

4 节约150 美元的直流充电桩SiC方案

ST正供应立异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器件和数字掌握,即STPOWER系列产物和STM32G4 MCU,开发设计PFC产物,该方案或许把能效提高到更高水平。比拟IGBT等的解决方案,ST的SiC产物可以将能效提高0.5%。这个数字或许看起来眇乎小哉,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%并不轻易,实际上是可观的节能改善;②从成本角度看,每个电路板可节约总拥有成本150美元。

众所周知,SiC比Si基产物价钱高,为何能节流成本?因为SiC板子的无源元件成本较低,是一种成本赔偿。是以,包罗无源和有源半导体元件在内,电路板的BOM(物料清单)成本略超过20%~30%。那么,150 美元哪里来的?

具体地,高功率充电站平日是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。在这种环境下,假设这些充电站只运行半天,而不是一成天,所以天天充电总用电量是:

350 kW x 12 h

若是ST的解决方案能节约能耗0.5%,则节约的能源是:

350 kW x 12 h x 0.5% = 21 kW·h

若是这些充电站一年365天都充电,而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,每块板子的节能效验接近150 美元。

所以若是只看元件自己或IGBT改用SiC MOSFET,成本会提到,然则总拥有成本带来了降低。这也说明节能对于每块板卡是何等主要,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,这将节流可观的电能。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,如今市场上还没有友商能供应达到这种组件级其余集成解决方案。” MUGGERI教师说。

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的下一步方针是增加每块板的输出功率,是以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%,对于通俗手机,充电时间可少于30分钟。

从手艺角度,65 W Type-C™的立异有二点: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元硬币的巨细——尺寸小到令人赞叹。假如将纵向变压器换成横向变压器,缩减结果会更好,ST今朝正在测验这方面的研发。

此中采用了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有一个清楚的产物路线图,涵盖充电器和其它注重功率密度的设备和应用。ST还有一个非常清楚的GaN分立器件市场计谋,对准(3~120) mΩ电阻区间的100 V和650 V两块市场。

6 布景:ST的电力与能源买卖

据IHS Markit、ABI Research、WSTS和ST的估算(基于制造和过程主动化、电力与能源、楼宇和室庐掌握、以及其他行业的数据),ST在工业用功率分立器件范畴排名第二位

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