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ST:提供全面系統解決方案 為工業激發智慧並永續創新
 

【作者: 王岫晨】   2023年07月17日 星期一

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意法半導體透過2023年工業巡迴論壇,更進一步在不同城市,為不同客戶延伸和展現工業解決方案、技術和產品。 透過「激發智慧 永續創新」的主軸,與會者能透過各種技術和產品以及解決方案的介紹,親身體驗前沿技術和激發智慧的應用。利用這樣的機會,CTIMES零組件雜誌也特別專訪了意法半導體亞太區功率離散和類比產品部行銷和應用副總裁 Francesco Muggeri,詳細闡述ST在工業領域的技術創新。



圖一 :  ST亞洲工業策略
圖一 : ST亞洲工業策略

為工業市場帶來真正創新

Francesco Muggeri指出,ST工業能力中心成立於大約四年前,原因是ST擁有非常多元化的產品組合。ST在工業市場上提供超過2萬種產品。因此,ST意識到公司以非常分散的供應方式進入市場。ST的客戶群也是分散的,有些客戶購買MCU但不購買MOSFET,而有些客戶則選購MOSFET但不購買類比元件。因此,我們得出結論,ST需要採用系統化的方法和解決方案,將所有產品結合在一起,以展示我們的產品如何被設計成可以更好地彼此協作,提供更卓越的解決方案給ST的客戶。



圖二 :   意法半導體亞太區功率離散和類比產品部行銷和應用副總裁 Francesco Muggeri (中)
圖二 : 意法半導體亞太區功率離散和類比產品部行銷和應用副總裁 Francesco Muggeri (中)

在面臨創新挑戰時,ST需要考量到兩個不同的層面。首先是內部創新的方式,因為ST最終銷售的是半導體產品,而非單純的解決方案。因此,ST有機會了解並改進我們的產品。在新產品的設計和生產過程中,我們會考量到解決方案的需求。這是第一個層面。


第二個層面是ST如何協助客戶,這也是您問的問題。我們直接提供解決方案給客戶,使一些客戶能夠接觸到非常創新的解決方案,而他們可能缺乏相關的專業知識。以IO-Link為例,IO-Link是一種通訊協定,需要擁有接收器和發射器,它們可以在沒有錯誤的情況下進行溝通,達到無縫的通訊。


從那時開始,我們開始意識到還有其他問題,市場上也存在一些複雜性,因為IO-Link標準的所有權由一家歐洲公司所持有。因此,在亞洲地區由於缺乏授權,該標準並未被廣泛使用。我們開始針對客戶和市場解決這個問題。



圖三 :   ST致力於為客戶提供工業與汽車應用的電源與能源產品
圖三 : ST致力於為客戶提供工業與汽車應用的電源與能源產品

為了克服這個挑戰,我們與中國的重要客戶之一,匯川科技(Inovance),展開了緊密合作。他們每週都與我們合作,並將IO-Link技術應用於他們的產品中。這種合作不僅使他們能夠使用最新的IO-Link標準,還為他們的產品提供了更多的功能和競爭優勢。


這個案例也展現了ST如何針對特定的客戶需求和市場提供解決方案。透過與客戶的緊密合作,ST能夠理解他們的挑戰,並為他們提供客製化的解決方案。我們將繼續與客戶合作,推動創新技術的應用,並為客戶提供全面的支援和合作。


另一個例子是我們的客戶 - 康舒科技(AcBel)。他們今天展示了一款配備STSAFE的交換式電源供應器(SMPS),這是一個簡單的轉接器。這個解決方案不僅具有出色的運算能力,還包括了強大的安全性功能。而這也是一個受益於ST產品和專業知識的創新案例。


透過應用ST的安全解決方案,康舒科技(AcBel)能夠為他們的交換式電源供應器提供更高的安全性。STSAFE是一個用於加密、身份驗證和保護數據的產品系列,它確保了設備和系統的安全性,同時保護使用者免受潛在的安全風險。


總結來看,能力中心協助ST以創新方式支援客戶,提供快速的創新方案,並將所有產品結合在一起,以加速創新週期。透過內部創新和與客戶的緊密合作,我們能夠不斷改進和優化我們的產品,以滿足市場需求和客戶的挑戰。


滿足不同領域需求

Francesco Muggeri說,ST在能源和電力解決方案實力強大。然而,工業領域還涵蓋其他子領域,例如醫療和建築自動化。接著來可以深入討論ST在建築自動化方面的成果,並探索我們目前在這一領域所做的事情。


在建築自動化領域,ST引入了一種名為KNX的新協定。該協定利用現有的電線進行通訊,無需額外的電線布線。透過KNX,建築內的各種物品,如開關、燈光、空調系統、電視和辦公室的電腦,可以集中且有效地進行控制。這使得建築管理和協調變得更加便利和靈活。



圖四 :   ST將於成立40週年之際達成碳中和目標
圖四 : ST將於成立40週年之際達成碳中和目標

同樣地,還可以利用安裝多種感測器,例如飛行時間(Time of Flight)感測器或CMOS感測器等元件,來偵測物體的存在。這些感測器能夠提供準確的物體偵測和位置感知,以進一步優化建築自動化系統的功能和效能。


透過KNX協定和多種感測器的應用不僅可以提升建築的運作效率,還增加了使用者的舒適性和能源節約效益。


除了KNX協定,建築自動化還包括各種感測器的應用,例如震動感測器,用於監測地震活動、確保安全,以及檢測火災等意外事件。建築自動化解決方案需要全面的支援,以滿足不同的需求。為了因應這些需求,ST成立了兩個能力中心:一個專注於電力和能源解決方案,另一個則專注於自動化。


在建築自動化領域中,專注於電力和能源是非常關鍵的,因為有效地管理建築內的電力供應至關重要。這涉及處理電源元件並確保安全地連接到電網,這是電源和能源解決方案所涵蓋的範疇。



圖五 :   差異化技術是ST的基石
圖五 : 差異化技術是ST的基石

一旦進入建築,目標是透過智慧系統提升舒適度、安全性和保安性。這包括在整個建築中部署分散的智慧和感測技術。這些技術使建築能夠智慧化地監測和控制照明、空調、安全系統等設施,以提供更好的使用者體驗和節能效益。


達到建築自動化的關鍵,在於智慧化方式和針對每個建築獨特需求的客製化複雜編程軟體。這些策略性的要素確保了系統的靈活性和效能。ST積極面對這一挑戰,並意識到做到更智慧、更高效之建築自動化解決方案的重要性。


在醫療領域,ST透過與外部合作夥伴在聯合實驗室的合作,進行了一個值得注意的專案,涉及PCR(聚合?鏈反應)技術的研發。目前,我們的重點是將PCR技術應用於動物而非人類身上。


這項合作的重要性在於在大規模養殖場中預防疾病和病毒的傳播,這對於確保動物的健康和生產效益至關重要。我們充分利用ST的全面技術,特別是我們的Lab-on-Chip(晶片實驗室),積極推動PCR解決方案的發展,以滿足這一需求。



圖六 :   廣泛的工業產品組合
圖六 : 廣泛的工業產品組合

當然,這只是一個例子,旨在突顯ST先進技術的應用和相關性。近期全球爆發的大流行病引起了對PCR技術的廣泛關注。除此之外,ST還積極參與其他各種醫療專案。在醫療領域,有兩種不同情況需要考慮。第一種情況是需要經過食品藥品監管機構(如FDA)的核准的醫療應用。


除了參與研發醫療應用外,ST還將能力延伸到「近醫療」的體育和個人電子產品領域,這些領域與醫療設備有相似之處。積極研發的一個重點領域是生物訊號監測。一個已經在市場上商業化並蓬勃發展的具體實例,就是超音波技術。ST所提供的超音波發射器已被廣泛使用。無論是ST的馬達控制能力中心還是自動化能力中心,都在研發攜帶式、小型的超音波裝置,也可以稱之為超級攜帶式裝置。這將使其能夠在救護車上進行快速的醫療行為。


另一個需要考慮的重要層面是滿足充電器和電池管理系統的電力和能源需求,並著重於減少電力消耗。此外,在使用這些設備時,還需要一定程度的安全性和便利性。


舉個例子,自動體外除顫器(AED)是一種依賴電池供電的急救設備,它可以在需要時自動進行除顫操作,而不需要手動呼吸。在使用這樣的設備時,確保電池充滿電非常重要。在危急情況下,電池故障可能導致嚴重後果。因此,確保電池能夠在需要時發揮功能和效能變得至關重要。


即使AED在長時間內不被使用,它們仍需要定期檢查和維護,以確保在需要時能正常運作。這些設備所需的電力品質和性能水平遠遠超出了傳統消費性電子產品的範疇。


在供應醫療應用的電源時,電力的隔離非常重要。為了醫療目的,我們希望做到電力的雙重隔離,以確保設備與電網之間沒有任何連接。透過雙重隔離,我們能確保電源與醫療設備之間的完全隔離,進而降低了患者面臨的潛在風險。


總結以上資訊,由於工業市場的碎片化和多樣性需求,ST需要以獨特而量身定制的方式應對。通過深入了解這些差異性並提供針對性的產品和服務,ST能夠有效地滿足工業市場的獨特需求,並推動各個領域的創新發展。


讓工業節能更有效率

如果想要提高用電效率,就必須找出浪費能源的地方。如圖所示,太陽能和風能是需要考慮的關鍵因素。這些能源以直流(DC)模式產生,需要轉換並注入電網中。這個轉換過程使用光伏逆變器進行太陽能的轉換,風力發電機逆變器進行風能的轉換。



圖七 :   能源供應鏈
圖七 : 能源供應鏈

然而,需要注意的是,這個轉換過程會產生能源損失,損失範圍在7%到14%之間。例如,當使用多個太陽能板串聯時,每個串聯需要一個逆變器,而這些逆變器可能會產生不同相位的能量波動。在最壞的情況下,如果能量波動處於相反的相位,它們會相互抵銷,導致零能量輸出。因此,確保正確的相位同步至關重要。


為了因應這個挑戰,ST使用同步電容器。這種機械設備幫助將能量波動調整為正確的相位,確保最佳能量輸出。然而,值得注意的是,透過同步電容器進行相位同步的額外步驟會導致額外的能源損失,大約在5%到10%左右。


ST也了解到使用CMOS技術可以進行能源的傳輸,但卻需要在非常高的電壓下操作,超過6000伏特,這是相當大的數值。雖然可能存在與隔離相關的挑戰,不過這些挑戰可以被解決和克服。


舉例來說,如果設計一個足球場,其每週進行一次足球比賽、比賽時間為4小時,在比賽前後另有額外的前置與賽後時間。而這個體育場使用了LED照明技術,最終就會以直流電流模式運作。


然而,假設建造體育場時將整個屋頂覆蓋上太陽能電池板,這些電池板產生直流電。那麼,在這種情況下電力是怎麼進行轉換的呢?ST將直流電轉換為交流電,儲存在能源儲存系統中,再將其轉換回直流電並以直流電形式儲存,供應給照明系統,以交流電進行傳輸,最後再將其轉換回直流電供照明使用。這個過程涉及五個步驟,其中至少會有40%的能量損失。


在能源轉換鏈中,最佳的方法是進行直流到直流(DC to DC)的轉換,其中可能需要進行少量的直流轉換。直流到直流轉換通常最多造成4%的能量損失。相較之下,如果按照目前常見的標準流程操作,能量損失可能達到35%至40%。然而,採用直流模式可以將能量損失降低至8%至9%。因此,在離散式或微型電網系統中採用直流模式是一個明確且有利的趨勢。


ST的能源與電力能力中心提供了太陽能領域全方位的解決方案,覆蓋了整個過程的各個階段。此外,ST還提供管理這些電網的能力,這需要綜合性的自動化方法。重要的是要認知到自動化與電力和能源是相互關聯且不可分割的。ST可以提供多樣化的原件,以支援這些需求。


ST被廣泛認識為市場上最佳的供應商之一,主要是由於豐富的先進技術產品組合。ST提供碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)解決方案,這些解決方案在電力應用中具有卓越的性能和效率。ST的功率管理元件和電池管理元件也進一步強化了產品組合。


ST的一個關鍵優勢是傲人的隔離技術。ST提供用於驅動器和大多數應用的隔離器,提供高達6.4K的隔離能力,而無需額外的元件。這種隔離能力使ST在市場上與眾不同。


為了真正展示我們的能力,ST為客戶提供了全面的系統解決方案。透過了解完整的系統需求並利用豐富的產品組合,確保ST始終處於這一領域的領先地位,為滿足客戶需求提供創新可靠的解決方案。


ST與三安光電合作推動中國碳化矽生態系統發展

意法半導體和三安光電簽署協定,將在中國重慶建立一個新的8吋碳化矽元件合資製造廠。新廠計畫將於2025年第四季開始生產,並預計在2028年全面落成,屆時將支援中國日益成長的電動汽車、工業電力和能源等應用的需求。同時,三安光電將利用自有SiC基板製程,單獨建造和營運一個新的8吋 SiC基板製造廠,以滿足該合資廠的基板需求。


該合資廠將採用ST的SiC專利製程技術,專注於為ST生產SiC元件,成為ST專用晶圓代工廠以支援其中國客戶之需求。該合資廠建設總金額預計約32億美元,包含其中未來5年的資本支出約為24億美元,資金來源包括意法半導體和三安光電的資金投入、重慶政府的支援以及由合資企業向外貸款。


中國的汽車和工業領域正朝向電氣化全速前進,在此一市場,ST已經成功獲得多項客戶專案。對ST來說,與中國當地重要的合作夥伴一起成立一個專門的晶圓廠,將幫助我們以最高效的方式滿足中國客戶不斷成長的需求。三安光電未來的8吋基板製造廠,加上雙方新成立的前段合資製造廠,以及ST在中國深圳現有的後段製造廠相結合,ST有能力為中國客戶提供一個完全垂直整合的SiC價值鏈。此舉將成為繼ST在義大利和新加坡持續重大的投資外,進一步擴大其全球SiC製造業務的重要一步。新合資廠將協助ST達到2030年SiC營收逾50億美元的目標。這項計畫亦與之前向金融市場傳遞之公司在2025年到2027年達成200億美元以上的營收目標,以及相關的財務模式一致。


ST與采埃孚簽訂碳化矽元件長期供應協定

逆變器是電動汽車電驅系統的大腦,負責管理電池和馬達之間的電能傳輸。隨著電驅系統的進步,逆變器變得更加高效和複雜。逆變器設計與碳化矽等半導體技術相結合,是提升電動汽車性能的關鍵。碳化矽元件能顯著降低電動汽車逆變器以及風力發電機和光伏逆變器中的功率損耗。相較於傳統矽基產品,碳化矽元件具有決定性優勢,能帶來更高的效能、功率密度和可靠性,同時還能做到尺寸更小、更具成本效益的系統設計。簡而言之,配備碳化矽功率元件的電動汽車充電速度更快、續航里程更遠,且讓車內空間更大。


ST與采埃孚科技集團(ZF)簽訂碳化矽元件長期供應協定。從2025年起,采埃孚將從意法半導體採購碳化矽元件。根據此長期採購合約,意法半導體將為采埃孚供應超過1,000萬個碳化矽元件。采埃孚計畫將這些元件整合到2025年量產的新型模組化逆變器架構中,透過意法半導體在歐洲和亞洲的碳化矽垂直整合生產線,確保完成電動汽車客戶訂單。


意法半導體將在義大利和新加坡晶圓廠生產碳化矽晶片,其採用先進的STPAK封裝,並在摩洛哥和中國的後段製程工廠完成測試。而意法半導體也將從2025年開始為,采埃孚供應超過千萬顆第三代碳化矽MOSFET元件。采埃孚可將不同數量的碳化矽晶片相連,以滿足客戶的性能要求,而無需更改逆變器設計。采埃孚將採用該技術為一家歐洲汽車廠商開發電驅逆變器,並計畫於2025 年開始生產。



圖八 :   意法半導體與采埃孚簽訂碳化矽元件長期供應協定
圖八 : 意法半導體與采埃孚簽訂碳化矽元件長期供應協定

格羅方德和ST敲定法國12吋半導體晶圓新廠協議

格羅方德與意法半導體正式簽訂雙方於2022年7月11日公布之在法國克洛爾新建量產半導體聯營廠的合作協議。該計畫的資本支出、維護成本和輔助成本總額預計75億歐元。法國國家投資銀行(Bpifrance)將為新廠提供鉅資財政支援。這項援助行動符合歐洲晶片法的目標以及近期歐盟委員會所審核通過之「法國2030」計畫。


透過與ST在克洛爾的合作,格羅方德正進一步於充滿活力的歐洲技術生態系統中擴大佈局,同時受益於規模經濟效應,高效利用資本為客戶提供更大的產能。雙方將攜手提供格羅方德市場領先的FDX技術和ST的豐富的技術組合,滿足客戶對汽車、物聯網和行動晶片的需求。預計未來幾十年,這些市場需求將維持成長趨勢。


ST將進一步充實歐洲和法國的FD-SOI生態系統,提升先進複雜技術的產能,在汽車、工業、物聯網、通訊基礎建設等重要終端市場中,滿足歐洲和全球客戶之數位化和低碳轉型的需求。新廠將協助ST達成逾200億美元的營收目標。


意法半導體VIPerGaN功率轉換晶片可提升工業應用效能

ST之高壓寬能隙功率轉換晶片系列新增VIPerGaN100和VIPerGaN65兩款產品,適合最大功率100W和65W的單開關準諧振(QR)返馳式轉換器。此小尺寸與高整合度之產品的設計目標應用包括USB-PD充電器、家電、智慧建築控制器、照明、空調、智慧量表和其他工業應用的開關式電源(SMPS)。


每個元件均整合了脈寬調製(PWM)控制器和650V增強型GaN功率電晶體,可以利用一個標準光耦合器達到二次側穩壓功能。改產品採用5mm x 6mm QFN封裝,結合高整合度,確保電晶體具有非常出色的功率密度,並節省物料清單成本。寬能隙電晶體技術還能夠提升效能,簡化熱管理設計。


這些轉換器晶片採用先進的電源管理技術,靜態電流低,在自我調整突波模式下,待機功耗低於30mW。每款產品配有準諧振模式,並具動態消隱時間和谷底同步功能,能夠降低開關損耗,在所有輸入線路和負載條件下最大限度地提升效能。這些效能優勢有助於降低目標應用之耗能,滿足全球生態設計規範的節能和淨零碳排放目標。


晶片亦整合了安全保護和可靠性功能,例如,輸出過壓保護、電流感測、輸入過壓保護、上電保護、掉電保護和熱關斷,以及用於抑制EMI頻率抖動技術,其中,輸入電壓前饋補償可以最大限度地縮小值功率變化。



圖九 :   意法半導體100W和65W VIPerGaN功率轉換晶片可節省空間,並提升消費電子和工業應用的效能
圖九 : 意法半導體100W和65W VIPerGaN功率轉換晶片可節省空間,並提升消費電子和工業應用的效能
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