智子赋能尉哲元:从技术的角度看电源/新能源行业|嘉程创业流水席201席精彩回顾
    12.23.2023 | 嘉程资本:创新者的第一笔钱 | 嘉程创业流水席

    模块化是未来解决电源行业核心矛盾,提升集中度,实现标准化,让电源企业做大做强的一个重要机会。

    近日,嘉程创业流水席第201席【探讨电力与储能市场与产品新机遇】,邀请了北京智子赋能科技有限公司创始人&CEO 尉哲元分享,主题是《从技术的角度看电源/新能源行业》。

    我叫尉哲元,我今天要从技术的角度分享一些内容。我本身是技术出身,所以我的分享会比较偏向技术方面。我是西安交大电气工程电力电子方向的博士,曾经在瑞士苏黎世联邦理工学院做过联培博士。我主要研究高功率密度电源、电源自动化设计和平面磁件,也有八年的电源行业相关经验。我们公司是一家创业公司,今年3月份成立,叫北京智子赋能科技有限公司,主营的业务就是高功率密度电源和平面磁件。

    电源——电能变换的核心装置

    电源是一切电能利用的重要基础设施,它涵盖了我们常用的光伏逆变器、储能逆变器、车载充电机、充电桩,以及数据中心,还有我们的手机、电脑的适配器等等,这些都属于电源的范畴,整个市场规模达到了5000亿人民币,年增长率大约是20%。

    电源它是电能变换的一个核心装置,不是电池。我们平时用的充电宝,其实是一块电池,而充电器才是电源,这是我后面的定义依据。后面的定义都是按照这个来的。

    电源的利用、组成和成本架构

    目前,电能的利用,简单来说就是从发电到输变配电再到用电的一个链条。特别是当光伏、风电等新能源接入电网之后,它们产生的电能一般是直流电和高频交流电。而在负载端,像传统的白炽灯只需要220伏的交流电就可以了。但是现在像数据中心,以及我们的电子产品、通讯设备、电动车,甚至LED照明等等,它们需要的一般都是直流电或者高频交流电。而现有的电网基本沿用了传统的50赫兹交流电的架构,因此在发电和电网之间,以及用电和电网之间,就需要一个转换装置来实现电能形式的转换。比如说AC-DC交流变直流,或者是AC-AC交流变交流等等。
    右边这张图展示了一个简单的电源,它是拆开外壳后的内部结构。电源涉及的技术是电子技术,这个电源是一个开关电源,它的电路拓扑如图右上角所示。它主要由两部分核心组成,一部分是功率半导体器件,例如MOS管和二极管。另一部分是无源元件,它们也是电源的核心。有源器件,包括Si MOSFET、Si IGBT、GaN和碳化硅等功率半导体器件,无源元件包括磁元件和电容,它们决定了电源的核心性能,即效率和功率密度,这是电源领域的两个主要优化目标。
    除此之外,还有一些辅助的电源管理芯片,这些芯片虽然不决定电源的核心性能,但也很重要。电源管理芯片的种类很多,包括控制芯片、驱动、隔离、采样等等,还有一些其他的元件,如电阻、电容、PCB等等。总的来说,电源的核心还是在于功率半导体器件和电源管理芯片,所以电源行业的硬件设备,它是紧密依赖于半导体产业链的。因此,半导体产业链的创新,也会给电源行业带来新的增量。
    另外,还有一个必须提到的,就是电源中的一个关键的设计参数,就是开关频率。开关频率可以理解为功率半导体器件的开关次数。开关频率越高,就意味着无源元件、磁元件和电容的体积越小,但是开关损耗也越大。因此,开关频率是影响电源性能的一个重要的指标。
    总体来看,电源的核心成本架构,除了光伏逆变器等特殊情况外,主要由半导体器件、变压器和电感等组成,这些占据了电源的大部分成本。另外,充电桩模块也是充电桩的主要成本,约占50%。在充电桩模块中,磁元件和功率半导体器件是核心的成本因素。
    现在的功率半导体器件,主要有碳化硅和氮化镓两种,右边的图展示了它们的材料特性。可以看到,它们可以从6个维度进行比较,分为3组,分别反映它们的耐高温、大电流和开关频率、高压等特性。
    相比于传统的硅器件,碳化硅和氮化镓在高压方面都有明显的优势。在高温方面,特别是碳化硅,它的高温特性非常好,但是氮化镓相对比硅也要好一些。
    另外,在大电流和开关频率方面,质量依次排下来是氮化镓、硅、碳化硅。所以,碳化硅相比于硅器件在这方面并没有太大的优势,而氮化镓则有明显的优势。因此,材料特性决定了这两种半导体器件的特点和适用场景。碳化硅一般采用垂直结构,有时候开关损耗比硅小,但是如果差别不大,它的优势就不明显,或者在一些场景下,它可能没有太大的优势。
    碳化硅的开关频率一般能达到200KHz,学术界的研究也有500K甚至更高的。这是它的一个核心特性,200K是目前的最高频率,低于200K的几十K的应用也很多,所以它更多的是替代传统的IGBT的场景。
    氮化镓目前还不能实现垂直结构,确切说不是做不出来,是没法实现比较好的大规模量产,一定程度上来说处在实验室阶段。一般它采用水平结构,因此它的高频特性特别好,能做到1M甚至5M,当然这也受到EMI标准和行业内的一些限制。
    从电压等级方面看,碳化硅的器件可以做到2000伏或以上,氮化镓的器件普遍是650伏,这是因为水平结构的限制如果未来能做到垂直结构,它的电压也能提高,因为它的材料本身具有高压特性。
    碳化硅的温度特性很好,一般可以达到175度,甚至有些器件可以达到200度或以上,这里的温度指的是器件的核心最高点的拼接温度。氮化镓的温度特性相对差一点,一般只有150度。
    碳化硅的应用场景主要是低频大功率的场合,尤其是电能领域,它利用它的高压特性,可以大大简化设备的中间结构,避免了器件的串联或者多电平的拓扑。碳化硅的应用量很大,碳化硅市场也很火热,各个厂商都在研究,看中了它在大功率领域的广阔市场。
    氮化镓的应用场景主要是高频,适用于中小功率和高功率密度的场合,一般是偏负载端,用氮化镓的比较多。碳化硅则是越靠近电网的,无论是负载端还是供给端,都用得比较多。氮化镓更适合于越接近终端负载的场合,应用也比较多,但是氮化镓的市场规模还没有碳化硅的大,也是因为它的技术成熟度还有待提升。

    电源设计的核心指标和矛盾

    电源设计中有几组核心的指标,它们之间存在一些矛盾。首先要满足的是基本指标,这是作为一个设备的基本的及格线,只有达到了基本指标,才能进行销售,否则是无法上市售卖的。
    基本指标中首先一点就是它的可靠性和寿命。电源是给电力设备和负载提供电能的装置,无论是在发电端还是在负载端,它的可靠性和寿命都至关重要,不能频繁更换,否则会影响整个用电设备的正常运行。提高可靠性和寿命的一个核心方法是保证它的温度。第一点是保证它不过热,一般绝缘材料上升十度,寿命降低一年,当然这也要看具体的材料和工况,但是保持一个合理的温度是提高电源设备可靠性的一个关键。除此之外,还要考虑元器件质量、方案成熟度、生产制造工艺等等因素。
    另一个基本指标是EMI指标,EMI指标是电源的一个重要的性能指标,它必须符合国家相关的标准,否则不能销售,而且国内外的标准是不同的,所以出口的电源要满足不同的EMI标准。另外一点,它实际上是会影响负载电网或者其他用电设备的正常工作的,电源的杂波会干扰正常工作,所以要做好相关的规定和控制。
    电源设计中除了要满足基本指标,也要考虑性能指标,这是需要厂家优化的一点。性能指标有两个核心,一个是效率,一个是功率密度。效率是指电源的输出功率与输入功率的比值,两者之间的功率差会以损耗或发热的形式消耗掉。因此,电源的效率越低,就会浪费更多的电能,增加成本。另外,发热会导致温度升高,影响寿命,这就涉及可靠性的问题,需要控制温度在合理范围内。
    另外就是功率密度,近年来,产业界越来越重视功率密度。功率密度是指电源的功率与体积或重量的比值,比如电动车的充电桩,客户的需求是希望电源的功率提高,但是成本和体积重量不要增加,甚至保持不变,这就是对功率密度的要求。
    在电源产品中,存在两组核心的矛盾,因此一切的技术迭代提升也是围绕这两组核心矛盾。一是可靠性寿命和性能指标之间的矛盾,二是效率和功率密度之间的矛盾。为了提升性能指标,需要不断迭代产品,采用新的方案,但是这也会带来技术成熟度和风险的问题,影响可靠性寿命。为了提高效率,可能需要增加体积,降低功率密度,或者增加成本,这也是一种权衡。另外还有成本和一些其他特殊功能。

    电源产品的特点

    电源作为一个产品,在市场中存在一个核心的矛盾。首先,它的产品功能非常单一,就是做电能形式的转换,只要可靠性过关,成本越低越好。在绝大多数场景当中它都呈现着这样的状态,通俗一点讲就玩不出什么花活。比如手机,它有娱乐、学习、通信等多种功能,但是电源只是一个电能转换的装置,只要做好这一点,不要出故障就行了。但是它的使用场景却非常多样化,几乎到处都需要电源,哪里要用电,哪里就要配一个电源,除了一些传统的220伏的白炽灯之外。所以我们可以把它看作是一个到处都需要的配件。举一个简单的例子,为什么叫配件?就是你买手机,重要的是手机本身,而不是充电器,但是你一定要给手机配一个充电器,这样的例子很多。它的使用场景非常多样化,但是它的功能又很单一,这就构成了它的一个单一和多样的核心矛盾。
    另外,在技术上也有一个问题,如果不是做半导体的电源企业,电源产品的核心性能提升,其实还是依赖于底层的功率半导体芯片。这也是为什么我刚才花了很多篇幅讲碳化硅、氮化镓,以及传统的硅器件,它们的重要性不言而喻。因为它们决定了电源的核心开关频率,从而决定了电源整机的核心性能和它的定位。
    最后的结果就是,这两个核心矛盾导致了大量的重复的定制化设计。因为场景的多样化,就需要做大量的定制化;因为功能的单一,就可能只是对之前的产品做一些小改动,就成了新的产品。这就是大量的重复性的定制化设计,这也造成了电源产品的研发周期拉长,研发投入成为很多电源企业的一个痛点。

    不同角度下的电源行业竞争格局

    这张图展示了电源的产业竞争格局。总的来说,电源行业是比较充分竞争的,行业集中度相对较低,但也不是很低,因为还有一些头部厂商。但是即使是这些头部厂商,他们也是根据不同的场景,把公司分成各个产品线,比如华为就是这样。各个产品线之间的独立程度很高,虽然也有一些交流沟通,但是也不是特别高的程度。
    • 从产业链的角度看,上游的供应商主要是大型的芯片厂家,他们的体量相对较大,而电源行业比较分散,所以对供应商的议价能力相对有限。
    • 对于下游的客户来说,比如一个手机厂商,手机可能卖几千块钱,电源可能就几十块,最多一两百块。电源占客户的成本比例比较低,而且客户可以选择的供应商比较多,所以对客户的议价能力也相对较弱。
    • 进入者的角度看,我认为进入门槛是一般的。电源是一个制造业,需要设计,所以要进入需要一定的投入。但是相对于一些上游的半导体厂或者其他的厂家,它的门槛不是很高。
    • 替代者的角度看,现在普遍认为,模块电源是有可能颠覆现在电源产业格局的核心产品或技术。因为模块电源相当于把电源做成了一个多维封装,以此来扩大它的一个面。

    大市场、小市场:电源行业内部玩家分类

    总结下来,电源行业的内部玩家可以分为两类,一类是大市场的电源企业,特别是新能源,它们面临着激烈的竞争,因为新能源市场的前景很好。另外一部分是小市场的电源企业,长尾效应比较明显,特别是涉及一些偏冷门、偏小众的用电设备的时候。还有一些设计方案的公司,它们专门为设计能力不足或偏重制造的电源企业提供设计方案。我认为它们解决了产品功能单一和使用场景多样的矛盾,它们通过专业的设计,把这个东西改回来,成本也比较低。另外还有一些电源制造的代工公司,实际上这个产品的设计和生产是可以分离的。当然,还有一些供应商、半导体器件厂、磁件厂、电源管理芯片厂以及客户,涉及各个行业。

    模块化——为提升电源行业集中度带来机会

    电源行业的集中度相对较低,因为每个厂商都想要垄断市场,至少从资本的角度来看。那么,提升电源行业集中度的机会在哪里呢?我认为模块化是未来的一个机会。模块化是指采用砖型模块结构,将功率单元单独封装,形成易用、高可靠的电源产品,把跟场景相关的工作交给下游,或者在模块产品的基础上增加一些跟场景相关的辅助功能。

    首先从技术路径上来讲,要实现砖型模块电源,首先要用表贴的功率半导体器件。表贴的功率半导体器件的集成参数低,特别是寄生电感低,可以提高开关频率,而且结构扁平化。提高开关频率可以提高功率密度,而且扁平化的器件可以满足模块的散热需求。如果用传统的直插式器件,就需要在旁边加散热器,这样就无法做成扁平模块了。
    其次要用平面磁件技术。模块要做扁平,就必须用平面磁件,而且平面磁件在高频下的损耗有明显优势,体积重量也更小。
    再次要做模块化的封装。传统的电源用直通风式的散热,把散热部分和功率部分耦合在一起,这样的好处是相对简单,成本也相对低廉,但是可靠性会变得很差,而且模块也不能作为标准品。因为在设计的时候,要考虑风道等因素,而且现在各行各业的趋势都是用冷板做散热,无论是用独立风道,还是用液冷等方式。所以,用模块电源的技术路线更合适。
    我们的行业标杆是美国的Vicor,它做的模块电源性能非常好,功率密度非常高。
    我们一般说的模块电源是狭义的,它的应用场景比较少。但是我要说的是广义的模块电源或者模块化,我认为这是电源行业的整体趋势。因为将功率单元单独封装的理念或者技术趋势,是可以应用到各个行业的。

    模块化的背后有一系列的其他趋势,就像我刚才提到的,高频化、高功率密度、扁平化、第三代半导体和表贴器件的应用,以及高可靠性、高应用性。模块化的最终目的是实现市场的标准化和规模化生产,从而摆脱行业集中度低的困境。它的核心是把电能变换的功能提取出来,做成一个产品。
    简单说,就是用表贴的氮化镓、碳化硅等三代半导体,提高功率密度,降低磁件体积,提高可靠性,易于维护。模块容易换,比如说,电源里面有个风扇,如果风扇上面有灰尘,就要把电源拆下来清理。这个时候,可能会不小心损坏电源的元器件。但是如果是模块化的电源,就可以直接更换模块,或者把散热器和功率部分分开,清洁和维护就会变得很简单。这就是易用性,也是模块化的一个优点。

    市场空间的问题,用手机充电器的例子可能比较直观。一款手机充电器过去可能是220VAC的工频交流电,插在墙上就能用。它的核心功能就是把交流电转化成5V或者20V的直流电,功率可能几十瓦或者100瓦。不管用什么样的手机充电器,核心功能都是这样。
    如果我把功率部分做成一个模块电源,就可以卖给充电器厂,让充电器厂再采购外壳、插头,以及解决PD快充的各种协议,这些协议有公有的、私有的,很复杂。外壳和插头也有各种形状和颜色,不同的厂家会根据产品定位和用户定位做不同的设计,还有相应的数据线,这些都是跟终端场景密切相关的。但是如果我把电源作为一个模块抽离出来,就可以把这些跟场景相关的工作交给下游厂家,或者我自己在模块电源的基础上增加一些配套的功能,最终做出一个适配器。这样就可以把原来分散的市场进行整合,实现规模化的生产,有更大的市场空间。

    模块电源的核心技术

    要做好模块电源,未来的核心技术是什么呢?
    • 第一,我认为还是在功率半导体技术上,包括氮化镓、碳化硅等,这些都是未来的核心技术。它们可以实现更低的开关损耗、更低的导通电阻、更低的寄生电感和更低的成本,这是未来的一个核心。
    • 另外,半导体器件的封装集成技术也很重要,就是把多块芯片合并到一起,无论是用片上集成(SoC)的方式,还是用封装内集成(SiP)的方式,都是要做集成的。比如说,把功率器件和驱动芯片集成到一起,或者再把电源管理芯片、电源控制芯片也集成过来。
    这样的一个核心方式,一方面可以提高性能,另一方面可以降低成本。降低成本可能比较容易理解,比如说我把多个芯片做到一块芯片上,成本肯定会更低。芯片的集成,不仅可以减小体积,还可以降低通信时延、回落寄生电感等,这些都可以让它进一步提升频率,从而提高电源的性能。
    对于一个大市场来说,我认为模块化的模式是未来的趋势,它会让产品趋向标准化,也会让最终的巨头有可能诞生。当然,如果半导体产业的增速很快,就不会有太大的问题,但是如果增速放缓,就会有利润的厂家向没有利润的厂家进行整合。如果模块电源厂能够做大,它就可以向半导体厂家进行整合,反之亦然。比如说,Vicor这家做模块电源的公司,它就是这样的思路,它想要把电源做到极致,做到最好,就必须做这样的事情。如果这些事情是由供应商来解决,那么供应商的配合程度就是一个问题。目前,Vicor采取的是高价策略,因为它的定价很高,所以它的市场不会很大。如果换一种思路,如果电源厂采取低价策略,可能会有不同的效果。
    • 还有一块核心技术,是刚刚提到平面磁件技术。因为电源要做扁平化和高频化,传统的磁件发热比较大。平面磁件技术近几年已经在向产业化发展了,市场的增速也比较快。平面磁件是在替代传统的磁件,因为传统的磁件高度高、体积大、损耗大、性能差,模块电源就会选择平面磁件,提高核心性能。
    • 另外还有一点,归根到底还是要有一个互联的基板,具有低寄生参数和高散热的先进封装基板技术,这也是未来的一个核心。当然,现在主流的PCB价格也很低。从过去的行业经验来看,先进的基板技术通常是半导体行业的封装技术改良、优化或延伸后,应用到电源行业中来的。所以,如果要关注先进的基板技术,还是要重点关注一下半导体行业的封装技术。
    •  另外,就是电源的自动化设计技术。我们过去不太追求功率密度,所以效率和功率密度的矛盾不太突出。但现在我们既要提高效率,又要提高功率密度,还要保证电源的安全可靠,这个产品就会越来越追求极限。
    这个极限是什么呢?如果半导体的技术水平是固定的情况下,我们追求要把电源设计得特别极限。现在行业的增量带来了更多的竞争者,大家都在激烈地竞争。要在大范围内进行优化设计,就不太能靠人力经验了,因为量太大了。所以这个时候就要依赖计算机进行全局寻优和自动化设计,这是非常重要的。过去工程师靠人工也能设计出合格的电源,但是现在要追求极限,光靠人工经验,尤其是在目标优化这种变化多端的电源设计中,就不够用了。

    总结

    最后小结一下:
    • 首先,电源作为一个产品,最核心的属性在于功能很单一,但是使用场景很多样,因此这就是它的一个核心矛盾,一切都是围绕这组核心矛盾所展开的。
    • 另外一个就是从技术的角度上来讲,电源附着在半导体产业链上。
    • 这个矛盾叠加它的附着性,就导致它集中度相对较低。当然业内也有一些做的相对较大的、做得很好的电源企业,但是纵观全行业,它的平均集中度水平相对较低。造成这个低的原因,核心还是在于场景多样化这一块。
    • 模块化是未来解决这个核心矛盾,提升集中度,实现标准化,让电源企业做大做强的一个重要机会。
    • 在大的电源市场当中,电源厂家跟功率半导体厂家之间存在一个整合的趋势,就看谁更有体量,但是这个趋势的到来和演进会相对慢一些。
    • 最后还是模块化需要的核心技术,包括功率器件、半导体封装集成,以及平面磁件、新型基板和整个的自动化设计。
    以上就是我的今天的分享,谢谢大家。

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