减碳助力绿色地球，功率半导体将发挥巨大作用
气候模型显示，如果地球二氧化碳浓度增加一倍，温度就会升高2度。 如今，全球的二氧化碳过量排放已经造成地球平均温度逐年升高。虽然2015年的《巴黎气候协定》对于阻止全球变暖做出了具体指示：限制温室气体排放，应确保将全球升温尽可能控制在比工业革命前水平高出1.5摄氏度。
二氧化碳浓度与全球平均温度的关系曲线
但据德国《世界报》网站10月30日报道，遵守《巴黎气候协定》规定的1.5摄氏度控温目标，可能变得比迄今为止的设想更困难。研究人员根据最新数据和改良后的模型，得出了很不理想的结果：为不错失这一目标，人类二氧化碳排放量应明显少于联合国政府间气候变化专门委员会第6次评估报告的估计值。
帝国理工学院的罗宾·兰博尔领导的研究团队在专业杂志《自然·气候变化》月刊发文称，在2022年的全球二氧化碳排放水平下，上述评估报告中估计的排放量可能大约6年后就会耗尽。
阻止全球变暖，半导体厂商能做什么？
如果平均气温上升达到4摄氏度，将对全球生态系统造成严重破坏。要实现1.5摄氏度的目标，助力全球减温，还需要所有国家群策群力，有效地降低温室气体排放。”在日前由ASPENCORE举办的全球CEO峰会上（Global CEO Summit 2023），瑞能半导体 CEO Markus Mosen在主题为《功率半导体助力绿色地球》的演讲中说到，功率半导体是绕不开的话题，因为它和所有用电设备的功耗、散热密切相关。“过去十几年中，半导体人一直致力于将电能损耗或能量损失降到最低，因此很多新技术和创新，正是着眼于这一点。”
瑞能半导体 CEO Markus Mosen
这么多的二氧化碳排放是从哪里来的呢？其中50%是来自能源行业，30%来自工业生产，10%来自交通运输，5%来自建筑，5%来自农业。可见对导致气温变化的因素分析表明，人类活动产生的碳排放是气温上升的主要因素，而环境的自然变化不会引发明显的气温变化。
那么如何减少碳排放？首先要引入太阳能、风能和生物能等可再生能源，从源头最大限度地降低二氧化碳排放和碳足迹的扩大。其次在工业生产和交通运输方面，要尽可能地节约能源和使用清洁能源。“例如工业领域的储能系统可以将采集到的清洁能源储存后再使用，电动或混动汽车也有助于交通领域的减排。” Markus Mosen说到，“而从半导体厂商的角度来说，我们能做的就是通过技术，助力这个过程。”
功率半导体在各行各业中发挥节能作用
图片来源： Yole 2022
作为一家功率半导体厂商，在“碳中和”中往往要扮演好两个角色。一是自身生产运营中的降碳，另一个更重要，是用自己的产品去助力其他企业、行业实现节能降碳。在接受《电子工程专辑》独家采访时，Markus Mosen阐述了瑞能半导体在这两方面做的努力。
实现自身的绿色目标，对于瑞能这样的IDM企业来说是一个巨大的挑战。由于半导体行业的特殊性，更关注的是水和化学品的使用，有害物质妥善处理，而不是直接排入河流，是瑞能正在努力做的。同时在减少工厂二氧化碳排放方面，也会采用效率更高的功率半导体或智能化模块，来改善转换效率带来的功率损失。
“在助力其他行业减碳上，功率半导体发挥的作用就更大了。大到整个国家或城市，小到一个家庭或个人，所使用的各种充电器、计算机或是汽车中都会用到。一款高效的功率半导体，将有助于减少功率损耗和提高效率，这也是我们为节能减排做的努力。” Markus Mosen说到。
“碳中和”反向主推功率半导体创新
IGBT、FRD、MOSFET等功率半导体和功率模块是实现能量转换的核心器件，清洁能源通过一系列的功率变换（DC-DC、DC-AC、BUCK-Boost）将光能转换为电能，电能又在各种系统中进行转换以满足应用需求。
Markus Mosen表示：“整个半导体产业只有40年左右的历史，1960年晚期到1970年早期才出现萌芽，所以要对它进行能耗优化，确实是一个新挑战。但我们希望通过优化，把比如家用产热过程中的能量进行节省下来。”
分立功率器件市场现状（2023）和预测（2027）
从电动汽车等用户端，到电网等供电端，实现节能的核心组件都是半导体，有的是分立器件，有的是模块或完整系统。从半导体应用的角度切入，可以降低功耗50%以上，一些新材料的引入也可以助力降低能耗。SiC、GaN等宽禁带半导体材料具有更好的性能和耐热性，与原有硅基功率器件结合形成的模块，在控制功率效率、降低功率损失以及整体封装尺寸上，都要比以前的单一硅基模块表现更优秀。
到2027年，功率器件市场规模将增长至283亿美元，复合年增长率（CAGR）为6.25%，相比2023年绝对增长率为35%。 虽然硅基功率器件仍将占据整个功率半导体市场的80%。，但主要受益于SiC-MOSFET和GaN HEMT的大规模使用，化合物半导体将出现显着增长，市场份额从2023年的7%增加到2027年的17%。
电动汽车和新能源产业是功率半导体发展的核心引擎
这其中，工业和汽车是功率半导体最大的应用市场。受益于全球“碳中和”政策，混合动力电动汽车（xEV）和可再生能源未来五年复合年增长率超过20%，是功率半导体市场增长的引擎。
电车要“真”环保，需要更高效的半导体
目前的观点普遍认为，电车比油车更环保，但电车需要充电，如果充电系统转换效能不高，那么电车本身就成了高能耗高排放的来源，这样的产品就不能称为环保。这也是为什么厂商在设计电子产品时，除了要考虑清洁能源的使用，还要确保整个电路设计的能耗是否达到“低功耗”的要求。
“虽然很多人会抱怨，电车一次充电能续航的里程数很有限。但如果用硅基半导体技术或其他新材料、新的组件模式加持，一次的续航里程是可以极大地提高的，充电时间也可以极大缩短。” Markus Mosen说到，很多电动汽车车主都认为，一次充电要花好几个小时，而油车加油只需要几分钟，“这确实是现在的技术壁垒，但如果找一种技术可以实现15-18分钟的快充，甚至比加油更快，那么壁垒就能被打破。”
碳化硅器件未来应收和应用领域预测
这种突破的关键在于化合物半导体。光伏等清洁能源以及5G和大数据是对能源效率要求较高的化合物半导体器件的重要应用市场，新能源汽车的快速发展也将成为碳化硅等化合物半导体器件的主要应用市场，未来对化合物半导体器件的大功率输电需求也将增加。
对于功率半导体和功率器件而言，毫无疑问电动汽车是所有应用市场中发展最迅猛的，随着各国对电车的推广，在汽车行业大放异彩。但不光是纯电车型，混合型的插电混合式汽车也有很多半导体的应用场景，当前单辆汽车的半导体器件使用量，已经比过去高出了一个数量级，而且目前汽车中使用的半导体价格还有下滑的趋势。所以对瑞能半导体这样企业而言，进行进一步的技术革新和投资，可以让电车，以及未来的自动化行业获得这些技术革新的红利。
2023上半年全球电动汽车销量排名
当前整个电动汽车行业发展得非常快。从上图可以看出，虽然一些头部车企我们都耳熟能详，但同时还有很多新公司涌入赛道，或是一些传统油车公司正在转型，比如传统油车车企正在转型。
现如今，世界各国政府都在大力支持电车发展，以上海市为例，对于电动汽车是没有限制购买上限的，甚至允许一个家庭拥有三部电动汽车。“在德国，如果买电车，政府甚至会给你一些补贴和其他激励措施。我们会发现，这种类似的补贴政策，在很多地方都已经出现。” Markus Mosen指出，“虽然补贴带动了电车市场的发展，但随着未来电车市场的蓬勃发展，补贴力度会越来越低。”
当前中国占据了电车市场的最大份额，第二是美国，第三是欧洲，这三大市场将极大地带动半导体行业的革新，以及对半导体进一步的市场需求。
“几家头部车企的全球电车月销量数据传达出一个强劲的信号，就是市场发展非常迅猛，势不可挡。但我们也要注意到，助力电车发展的关键切入点，是要降低它的能耗，同时降低器件的成本。” Markus Mosen说到。
800V平台大势所趋，碳化硅在整体上更省成本
目前，共有30+汽车生产商已经宣布拥有800V高压平台电动汽车，其中20余款车型已经开售，90%的800V车型都选择了碳化硅主逆变器，只有10%还在用原来硅基方案。碳化硅的普及源于半导体厂商的创新，很好地帮助了车企降低相关成本。
半导体器件的成本对于电动汽车来说非常重要，因为会直接影响到整车价格，进一步影响车企的市场份额。Markus Mosen预计，因为终端的需求的带动，2028年全球对车规半导体的投资将达到200亿美元，大量投资带来的产能提升，可以大幅缩减原先如碳化硅等器件的成本。
800V平台汽车厂商一览
预计到2027年，20%的混动型汽车也会加入800V系统的行列，与此同时到2025年，更多400V车型会切换到碳化硅主逆变器方案。毫无疑问，未来电动汽车平台将由低压向高压发展，碳化硅等新一代半导体由于其高功率面密度、高频率、低损耗和耐高压的特性，保持高效能的同时甚至连冷却系统都省了，可以进一步助力这一趋势。
“虽然现在可能仅需2美元就可以获得一个非常好的硅基器件，成本已经比过去低了很多，在汽车的组装过程中需要用成百上千个这样的器件，所以很多厂商不想因为采用高端半导体技术而增加成本，只想用相对传统的技术来满足基本功能就好。” Markus Mosen说到，“这也是为什么虽然高压平台有些十分明显的驾驶体验优势，在降低地球温度上也颇有助益，但一些厂商还坚持采用低压或低频的技术平台。”
在这方面，以特斯拉、比亚迪为代表的行业先行者做了一个很好的表率作用，带动未来更多公司去应用新型半导体技术。
这些头部公司为何在采用碳化硅上如此积极？因为和Si IGBT + FRD（Fast Recovery Diode，快速恢复二极管） 方案相比，全碳化硅功率模块（SiC MOSFET + SiC二极管）在总损耗上可以降低 44%，从 820W（IGBT）降至 460W；开关损耗（开通+关断损耗）降低80%，从IGBT的450W降至95W。
结语
最后，Markus Mosen介绍了瑞能半导体和他们的产品组合。作为一家从恩智浦（NXP）分拆出来的公司，瑞能半导体在电力领域拥有超过 50 年的领先经验，产品组合包括先进的 Gen6 SiC 二极管技术、丰富的 SiC-MOSFET 产品组合、全碳化硅模块以及汽车级碳化硅等。
瑞能可以提供丰富的产品组合，作为交钥匙解决方案来满足电动车 OBC 应用需求。我们可以提供的大部分组件是汽车级的，其他组件也正在进行车规认证中。
虽然如今碳化硅在电动汽车和充电市场极为火爆，但Markus Mosen认为，在其他一些行业，硅基功率器件仍然非常重要。而瑞能方面也在其晶圆厂以及功率模块厂中，将硅基和碳化硅技术结合，从而同时拥有更高效的功率解决方案。
根据市场调研机构Omdia 2022年的数据，瑞能半导体晶闸管产品在中国市占率排名第一、全球第二；碳化硅整流器产品在中国市场排名第一，全球排名第七。整个2022年，瑞能半导体出货量达13亿件，全球客户总数超过5000家。
Markus Mosen简介
Markus Maria Mosen先生，1959年出生，德国国籍，德国科隆大学（University of Cologne）硕士学位。1992年至1998年，历任德国西门子企业战略与业务发展部高级分析师、经理；1999年至2007年，任英飞凌科技副总裁；2007年至2015年，历任恩智浦半导体（NXP Semiconductors Ltd.）经理、副总裁。2016年至今，任瑞能半导总经理。
Markus Mosen先生参与和见证了全球半导体行业的重大节点，丰富的从业经验和多元的国际视野让其在企业管理，产业投资等领域有着极强的预见性和执行力，为推动全球智能制造业的发展做出了杰出贡献。
关于瑞能半导体
瑞能半导体专注于功率半导体领域，传承逾50年的核心技术，全球销售点遍布大中华区、欧洲、亚太及美洲，产品应用覆盖智能家电，电动汽车，通讯工业等行业，为客户在各自细分行业提供可靠专业的技术支持。瑞能半导体掌握独立的功率半导体技术，凭借优异的品质和性能，其产品已被全球众多知名企业验证并使用。
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