據(jù)HIS Markit統(tǒng)計(jì)，近年來工業(yè)市場(chǎng)是增長(zhǎng)較快的市場(chǎng)之一，預(yù)計(jì)從2018年到2021年的年復(fù)合增長(zhǎng)率在6%左右，特別是安防和視頻監(jiān)控市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率最高，達(dá)到了19%。工業(yè)市場(chǎng)中市場(chǎng)占比最大的是生產(chǎn)與過程自動(dòng)化應(yīng)用。

圖1：工業(yè)市場(chǎng)整體行業(yè)和細(xì)分市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率。

在工業(yè)市場(chǎng)中，市場(chǎng)占比比較大的應(yīng)用主要包括自動(dòng)化、電機(jī)控制，以及電力與能源。最近幾年，電機(jī)控制受到的業(yè)界的廣泛關(guān)注。ST在電機(jī)控制領(lǐng)域的投入有目共睹。目前，ST在亞洲將已設(shè)立了7個(gè)技術(shù)創(chuàng)新中心， 其中電機(jī)控制、電力與電源以及自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新中心專門針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)，為當(dāng)?shù)乜蛻籼峁┲С植㈤_展合作，并與技術(shù)領(lǐng)先者合作建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

電機(jī)方案是重點(diǎn)，低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片銷量過10億顆

不久前，意法半導(dǎo)體（ST）舉辦了一場(chǎng)工業(yè)媒體交流會(huì)，其亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品器件部區(qū)域營(yíng)銷和應(yīng)用副總裁沐杰勵(lì)介紹了ST在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展情況，以及意法半導(dǎo)體的相關(guān)產(chǎn)品解決方案。

圖2：ST亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品器件部區(qū)域營(yíng)銷和應(yīng)用副總裁沐杰勵(lì)。

他特意提到，ST在電機(jī)控制領(lǐng)域占有著11%左右的市場(chǎng)份額，特別是低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的銷量已經(jīng)超過了10億顆。

圖3：ST在工業(yè)市場(chǎng)不同細(xì)分領(lǐng)域的市場(chǎng)份額情況。

溝通會(huì)上，沐杰勵(lì)重點(diǎn)介紹了與家電相關(guān)的電機(jī)控制，比如冰箱和空調(diào)的電機(jī)控制方案。他自豪地表示，即便是同一種解決方案，ST可以提供多達(dá)7種不同的架構(gòu)。

圖4：ST可以提供多種架構(gòu)解決方案。

沐杰勵(lì)拿1.5kW到2 kW的空調(diào)舉例說，ST可以提供4種不同的架構(gòu)。一是完全分立的解決方案，可以讓客戶以他們自己喜歡的方式設(shè)計(jì)板子布局；二是采用ACEPACK模塊，可以用3個(gè)模塊處理高功率，這樣ST能夠通過緊湊型解決方案提供更高的功率。如果空間有限，還可以使用ST的雙模塊MOSFET解決方案，例如，STM32F3或G4搭配SLLIMM IPM系列智能電源模塊。此外，ST還設(shè)計(jì)了另一種架構(gòu)，在STM32內(nèi)核外圍集成驅(qū)動(dòng)電路以及該分立解決方案，這實(shí)際上是一種針對(duì)空間稍小應(yīng)用優(yōu)化的解決方案。“不同的客戶可以選擇適合自己的方案。”沐杰勵(lì)表示。

由于中國(guó)從7月1日起，將要實(shí)施及其嚴(yán)格的新空調(diào)系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)（A+）。這意味著在售產(chǎn)品都必須使用新標(biāo)準(zhǔn)解決方案，所有舊空調(diào)系統(tǒng)都需要在一定時(shí)間內(nèi)更換相關(guān)部件，如逆變器或變頻端電路。

沐杰勵(lì)認(rèn)為ST的解決方案可以完美地滿足這個(gè)需求，傳統(tǒng)半導(dǎo)體解決方案換成新的高能效解決方案，成本是在幾美元到十美元之間，這意味著每個(gè)方案的成本大約在10至12美元。ST通過用戶界面提供固件更新和cube SDK開發(fā)工具，支持壓縮機(jī)電機(jī)定制；提供所有STM32、電源模塊、分立和模擬器件、電路板。

在傳統(tǒng)的冰箱市場(chǎng)，如今冰箱能效標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提高到A類以上，“這意味著我們的ST功率器件、STSPIN、STM32可以開始大展拳腳。”他表示。

圖5：ST的250W冰箱解決方案。

在IGBT方面，據(jù)沐杰勵(lì)透露，目前空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)里面有20%以上的產(chǎn)品都使用了ST的產(chǎn)品。而且，他預(yù)計(jì)ST的市場(chǎng)份額還會(huì)繼續(xù)上升。

在電機(jī)主控方面，ST的MCU可以支持從步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)到BLDC的各種電機(jī)。“在數(shù)字控制和模擬控制方面，我們有系統(tǒng)級(jí)封裝和嵌入式智能方案，功率密度高達(dá)500W /cm2。專門的電隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)保護(hù)人身安全。從非常低的功率到非常高的功率，從數(shù)字控制器到模擬控制器，從內(nèi)部嵌入式開關(guān)MOSFET，到使用IPM的擴(kuò)展MOSFET，我們皆可提供豐富的產(chǎn)品組合以及擁有兩種出色的技術(shù)：STSPIN和STDRIVE。”沐杰勵(lì)對(duì)<電子發(fā)燒友網(wǎng)>表示。

其中，他重點(diǎn)介紹了ST SPIN32F0。據(jù)沐杰勵(lì)介紹，該產(chǎn)品有兩個(gè)版本：第一個(gè)是最高45V的低壓驅(qū)動(dòng)器，用于電池供電的解決方案，也可以用于設(shè)計(jì)某些電動(dòng)工具或小型家電；第二個(gè)是最高電壓600V的高壓產(chǎn)品，最高電壓250V的中壓產(chǎn)品，這些板子覆蓋多個(gè)電壓區(qū)間。

圖6：ST SPIN32F0產(chǎn)品系列介紹。

寬輸入電壓意味著控制內(nèi)部MCU有多種可行方法。單電阻和三電阻電流檢測(cè)意味著可以在不同的拓?fù)鋬?nèi)驅(qū)動(dòng)外部單相或三相電機(jī)。這個(gè)方案和基于STM32的方案有些不同，如果使用STM32，則需要標(biāo)準(zhǔn)組件和內(nèi)部尺寸大于38 mm X 38 mm的電路板，而這個(gè)方案可能只需要17 mm X 17 mm的面積，面積減少約80％。因此，對(duì)于關(guān)注空間問題的應(yīng)用，例如機(jī)器人和無人機(jī)，這個(gè)方案是非常理想的。如果需要減小冰箱等大家電的尺寸，這個(gè)方案也可以提供非常靈活和優(yōu)化的性能。

沐杰勵(lì)坦言，ST目前專注家電市場(chǎng)，但不局限于家電市場(chǎng)。電力與能源、自動(dòng)化也是他們關(guān)注的重點(diǎn)。

加大SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體技術(shù)投入

近年來，基于硅(Si)、砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理極限，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高等特點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工業(yè)市場(chǎng)有著更大的市場(chǎng)應(yīng)用空間。

在工業(yè)市場(chǎng)，SiC器件主要應(yīng)用于直流充電樁及智能電網(wǎng)、工業(yè)用電等領(lǐng)域，如SiC功率器件在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器等電力電子變壓器裝置中，可以帶來高效率、大功率、高頻率的優(yōu)勢(shì)。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工業(yè)領(lǐng)域預(yù)計(jì)將保持在12%的平均增長(zhǎng)速度。

圖7：采用ST SiC器件與數(shù)字控制的15kW雙向PFC方案。

沐杰勵(lì)表示，意法半導(dǎo)體在SiC器件方面，擁有廣泛的解決方案，包括分立器件、裸芯片、模塊和持續(xù)擴(kuò)大的產(chǎn)能，以支持市場(chǎng)的加速擴(kuò)張。本次交流會(huì)上，意法半導(dǎo)體展示了采用SiC器件與數(shù)字控制的15kW雙向PFC(3級(jí)T型)，解決方案涵蓋32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、電氣隔離柵極驅(qū)動(dòng)器STGAP2S、模擬溫度傳感器STLM20W87F、高壓變換器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可實(shí)現(xiàn)70kHz高開關(guān)頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行效率，預(yù)計(jì)一年內(nèi)將會(huì)至少節(jié)省330千瓦的能量(以每天運(yùn)行12小時(shí)為例)。

意法半導(dǎo)體對(duì)于SiC器件的發(fā)展非常重視。去年12月，意法半導(dǎo)體完成了對(duì)瑞典SiC晶圓制造商N(yùn)orstel的整體收購。當(dāng)前SiC晶圓存在供貨短缺的情況，意法半導(dǎo)體收購Norstel股權(quán)，一方面是擴(kuò)大SiC的貨源，另一方面也是看中了它的新技術(shù)。意法半導(dǎo)體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅產(chǎn)能受限的大環(huán)境下，整體并購Norstel將有助于增強(qiáng)ST內(nèi)部的SiC生態(tài)系統(tǒng)，提高我們的生產(chǎn)靈活性，使我們能夠更好地控制芯片的良率，進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，并為我們的碳化硅長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展提供支持。”

據(jù)悉，Norstel正在開發(fā)一種可提高SiC晶圓質(zhì)量且降低成本的制造技術(shù)。收購Norstel后，意法半導(dǎo)體將可以加強(qiáng)SiC的垂直整合，形成成本優(yōu)勢(shì)。Norstel被整合到意法半導(dǎo)體的全球研發(fā)和制造業(yè)務(wù)中，有助于繼續(xù)發(fā)展150mmSiC裸片和外延片的生產(chǎn)，同時(shí)研發(fā)200mm晶圓以及更廣泛的寬禁帶材料。

圖8：采用GaN FET半橋驅(qū)動(dòng)SiP的65W Type-C和功率傳輸充電器。

在第三代半導(dǎo)體當(dāng)中，還有一個(gè)明星產(chǎn)品那就是GaN產(chǎn)品，由于它的禁帶寬度較大，利用GaN可以獲得更大帶寬、更大放大器增益、生產(chǎn)尺寸更小的半導(dǎo)體器件。在工業(yè)市場(chǎng)，GaN器件產(chǎn)品包括SBD、FET等面向無線充電、電源開關(guān)等的產(chǎn)品。

目前市面上的GaN充電器可支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。在本次見面會(huì)上，沐杰勵(lì)介紹了采用一款采用GaN FET SiP 半橋驅(qū)動(dòng)的65W Type-C & PD充電器。該方案的驅(qū)動(dòng)器與2個(gè)650V GaN FET采用同一封裝，開關(guān)頻率達(dá)到350kHz，功率密度比市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)高1.5倍至2倍。

圖9：ST POWER 分立GaN解決方案。

今年2月，意法半導(dǎo)體宣布與臺(tái)積電在GaN方面加強(qiáng)合作。意法半導(dǎo)體將采用臺(tái)積公司的氮化鎵工藝技術(shù)來生產(chǎn)GaN產(chǎn)品。3月份又收購了Exagan的大部分股權(quán)，推進(jìn)ST長(zhǎng)期GaN開發(fā)規(guī)劃、生態(tài)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)。這一系列的動(dòng)作足以看到ST對(duì)GaN開發(fā)的重視。

結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前亞洲地區(qū)的工業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為44億美元左右，而且增速相對(duì)比較穩(wěn)定，這對(duì)半導(dǎo)體廠商來說，極具吸引力。目前已經(jīng)有不少半導(dǎo)體廠商都把眼光轉(zhuǎn)向了這邊，都想去挖掘工業(yè)市場(chǎng)里更大的商機(jī)。不過，想要在這個(gè)市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟卻并不那么容易，因?yàn)楣I(yè)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和效率都要求頗高。