工业市场增长快速，这家公司的低压电机驱动芯片销量已经超过10亿颗

据HIS Markit统计，近年来工业市场是增长较快的市场之一，预计从2018年到2021年的年复合增长率在6%左右，特别是安防和视频监控市场的年复合增长率最高，达到了19%。工业市场中市场占比最大的是生产与过程自动化应用。

图1：工业市场整体行业和细分市场的年增长率。

 
在工业市场中，市场占比比较大的应用主要包括自动化、电机控制，以及电力与能源。最近几年，电机控制受到的业界的广泛关注。ST在电机控制领域的投入有目共睹。目前，ST在亚洲将已设立了7个技术创新中心， 其中电机控制、电力与电源以及自动化技术创新中心专门针对工业市场，为当地客户提供支持并开展合作，并与技术领先者合作建立联合实验室。
 

电机方案是重点，低压电机驱动芯片销量过10亿颗

不久前，意法半导体（ST）举办了一场工业媒体交流会，其亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁沐杰励介绍了ST在工业领域的发展情况，以及意法半导体的相关产品解决方案。

 
图2：ST亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁沐杰励。

 
他特意提到，ST在电机控制领域占有着11%左右的市场份额，特别是低压电机驱动芯片的销量已经超过了10亿颗。

图3：ST在工业市场不同细分领域的市场份额情况。

 
沟通会上，沐杰励重点介绍了与家电相关的电机控制，比如冰箱和空调的电机控制方案。他自豪地表示，即便是同一种解决方案，ST可以提供多达7种不同的架构。

图4：ST可以提供多种架构解决方案。

 
沐杰励拿1.5kW到2 kW的空调举例说，ST可以提供4种不同的架构。一是完全分立的解决方案，可以让客户以他们自己喜欢的方式设计板子布局；二是采用ACEPACK模块，可以用3个模块处理高功率，这样ST能够通过紧凑型解决方案提供更高的功率。如果空间有限，还可以使用ST的双模块MOSFET解决方案，例如，STM32F3或G4搭配SLLIMM IPM系列智能电源模块。此外，ST还设计了另一种架构，在STM32内核外围集成驱动电路以及该分立解决方案，这实际上是一种针对空间稍小应用优化的解决方案。“不同的客户可以选择适合自己的方案。”沐杰励表示。
 
由于中国从7月1日起，将要实施及其严格的新空调系统能效标准（A+）。这意味着在售产品都必须使用新标准解决方案，所有旧空调系统都需要在一定时间内更换相关部件，如逆变器或变频端电路。
 
沐杰励认为ST的解决方案可以完美地满足这个需求，传统半导体解决方案换成新的高能效解决方案，成本是在几美元到十美元之间，这意味着每个方案的成本大约在10至12美元。ST通过用户界面提供固件更新和cube SDK开发工具，支持压缩机电机定制；提供所有STM32、电源模块、分立和模拟器件、电路板。
 
在传统的冰箱市场，如今冰箱能效标准已经提高到A类以上，“这意味着我们的ST功率器件、STSPIN、STM32可以开始大展拳脚。”他表示。

图5：ST的250W冰箱解决方案。

 
在IGBT方面，据沐杰励透露，目前空调、冰箱和洗衣机里面有20%以上的产品都使用了ST的产品。而且，他预计ST的市场份额还会继续上升。
      
在电机主控方面，ST的MCU可以支持从步进电机、直流电机到BLDC的各种电机。“在数字控制和模拟控制方面，我们有系统级封装和嵌入式智能方案，功率密度高达500W /cm2。专门的电隔离驱动技术保护人身安全。从非常低的功率到非常高的功率，从数字控制器到模拟控制器，从内部嵌入式开关MOSFET，到使用IPM的扩展MOSFET，我们皆可提供丰富的产品组合以及拥有两种出色的技术：STSPIN和STDRIVE。”沐杰励对<电子发烧友网>表示。
 
其中，他重点介绍了ST SPIN32F0。据沐杰励介绍，该产品有两个版本：第一个是最高45V的低压驱动器，用于电池供电的解决方案，也可以用于设计某些电动工具或小型家电；第二个是最高电压600V的高压产品，最高电压250V的中压产品，这些板子覆盖多个电压区间。

图6：ST SPIN32F0产品系列介绍。

 
宽输入电压意味着控制内部MCU有多种可行方法。单电阻和三电阻电流检测意味着可以在不同的拓扑内驱动外部单相或三相电机。这个方案和基于STM32的方案有些不同，如果使用STM32，则需要标准组件和内部尺寸大于38 mm X 38 mm的电路板，而这个方案可能只需要17 mm X 17 mm的面积，面积减少约80％。因此，对于关注空间问题的应用，例如机器人和无人机，这个方案是非常理想的。如果需要减小冰箱等大家电的尺寸，这个方案也可以提供非常灵活和优化的性能。
 
沐杰励坦言，ST目前专注家电市场，但不局限于家电市场。电力与能源、自动化也是他们关注的重点。
 

加大SiC和GaN等第三代半导体技术投入

 近年来，基于硅(Si)、砷化镓(GaAs)半导体材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理极限，产业发展进入瓶颈期。而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、热导率高、电子饱和速率高等特点，得到越来越广泛的应用。工业市场对产品的可靠性、稳定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工业市场有着更大的市场应用空间。
 
在工业市场，SiC器件主要应用于直流充电桩及智能电网、工业用电等领域，如SiC功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器等电力电子变压器装置中，可以带来高效率、大功率、高频率的优势。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工业领域预计将保持在12%的平均增长速度。

图7：采用ST SiC器件与数字控制的15kW双向PFC方案。

 
沐杰励表示，意法半导体在SiC器件方面，拥有广泛的解决方案，包括分立器件、裸芯片、模块和持续扩大的产能，以支持市场的加速扩张。本次交流会上，意法半导体展示了采用SiC器件与数字控制的15kW双向PFC(3级T型)，解决方案涵盖32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、电气隔离栅极驱动器STGAP2S、模拟温度传感器STLM20W87F、高压变换器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可实现70kHz高开关频率运行，实现更高的运行效率，预计一年内将会至少节省330千瓦的能量(以每天运行12小时为例)。
 
意法半导体对于SiC器件的发展非常重视。去年12月，意法半导体完成了对瑞典SiC晶圆制造商Norstel的整体收购。当前SiC晶圆存在供货短缺的情况，意法半导体收购Norstel股权，一方面是扩大SiC的货源，另一方面也是看中了它的新技术。意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅产能受限的大环境下，整体并购Norstel将有助于增强ST内部的SiC生态系统，提高我们的生产灵活性，使我们能够更好地控制芯片的良率，进行质量改进，并为我们的碳化硅长远规划和业务发展提供支持。”
 
据悉，Norstel正在开发一种可提高SiC晶圆质量且降低成本的制造技术。收购Norstel后，意法半导体将可以加强SiC的垂直整合，形成成本优势。Norstel被整合到意法半导体的全球研发和制造业务中，有助于继续发展150mmSiC裸片和外延片的生产，同时研发200mm晶圆以及更广泛的宽禁带材料。

图8：采用GaN FET半桥驱动SiP的65W Type-C和功率传输充电器。

 
在第三代半导体当中，还有一个明星产品那就是GaN产品，由于它的禁带宽度较大，利用GaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、生产尺寸更小的半导体器件。在工业市场，GaN器件产品包括SBD、FET等面向无线充电、电源开关等的产品。
 
目前市面上的GaN充电器可支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。在本次见面会上，沐杰励介绍了采用一款采用GaN FET SiP 半桥驱动的65W Type-C & PD充电器。该方案的驱动器与2个650V GaN FET采用同一封装，开关频率达到350kHz，功率密度比市场标准高1.5倍至2倍。

图9：ST POWER 分立GaN解决方案。

 
今年2月，意法半导体宣布与台积电在GaN方面加强合作。意法半导体将采用台积公司的氮化镓工艺技术来生产GaN产品。3月份又收购了Exagan的大部分股权，推进ST长期GaN开发规划、生态系统和业务。这一系列的动作足以看到ST对GaN开发的重视。
 

结语

据统计，目前亚洲地区的工业市场规模约为44亿美元左右，而且增速相对比较稳定，这对半导体厂商来说，极具吸引力。目前已经有不少半导体厂商都把眼光转向了这边，都想去挖掘工业市场里更大的商机。不过，想要在这个市场站稳脚跟却并不那么容易，因为工业市场对产品的稳定性和效率都要求颇高。