探索Wi-SUN在物联网中的未来之路

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碳化硅:探寻神奇之处
 
近年来,碳化硅备受国内外关注,尤其是在国外,领先厂商们更是以迅猛的步伐进军这一市场。那么,这个产品到底有何魔力呢?让我们一起来揭开它的神秘面纱。
 
什么是碳化硅?
 
碳化硅是一种由碳元素和硅元素组成的半导体化合物材料。与氮化镓、氮化铝、氧化镓等禁带宽度大于2.2eV的材料相比,碳化硅(SiC)被归类为宽禁带半导体材料,也被国内称为第三代半导体材料。
 
分类细分
 
从材料端来看,半导体行业将其分为不同代数:第一代是元素半导体材料,如硅(Si)和锗(Ge);第二代则是化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;而第三代则属于宽禁带材料,包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。
 
市场前景
 
在这些材料中,碳化硅和氮化镓被看好为目前商业前景最为明朗的半导体材料。它们堪称半导体产业内新一代的"黄金赛道"。
 
碳化硅:从发现到应用的百年探索
 
碳化硅的发现可以追溯到1891年,当时美国的艾奇逊在进行电溶金刚石实验时偶然发现了一种碳化合物,这就是碳化硅首次被合成和发现。经过了百年的不断探索,特别是进入21世纪以后,人类终于理解了碳化硅的优点和特性,并利用其特性制造出各种新型器件,碳化硅行业得到了快速发展。
 
与传统的硅材料相比,碳化硅具有许多突出的特点。首先,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍;其导热率是硅的4-5倍;击穿电压是硅的8倍;而电子饱和漂移速率则是硅的2倍。
 
这些特性使得碳化硅非常适合制造耐受高温、高压和大电流的高频大功率器件。
 
目前已经发现了约200种碳化硅的晶体结构形态,其中包括立方密排的闪锌矿α晶型结构(如2H、4H、6H、15R)和六角密排的纤锌矿β晶型结构(3C-SiC)等。
 
其中,β晶型结构(3C-SiC)可用于制造高频器件和其他薄膜材料的衬底,例如用于生长氮化镓外延层或制作碳化硅基氮化镓微波射频器件。α晶型4H可用于制造大功率器件,而6H则是最稳定的结构,适用于制造光电器件。
 
碳化硅:未来的替代之路?
 
第三代半导体材料与传统的硅材料在应用领域上有着完全不同的定位。硅主要用于制造存储器、处理器、数字电路和模拟电路等传统集成电路芯片。而碳化硅由于其承受大电压和大电流的能力,特别适合制造大功率器件、微波射频器件和光电器件等。特别是在功率半导体领域,一旦碳化硅的成本降低,它将在一定程度上取代硅基的MOSFET、IGBT等器件。然而,碳化硅并不适用于数字芯片,两者是相互补充的关系。在部分功率器件领域,未来碳化硅芯片将占据优势地位。
 
新一代黄金赛道:碳化硅引领未来
 
从应用角度来看,碳化硅被誉为“黄金赛道”,这一评价丝毫不过分。
 
目前,为了最大程度地利用碳化硅和氮化镓材料本身的特性,较理想的方案是在碳化硅单晶衬底上进行外延生长。也就是说,在碳化硅上面生长碳化硅外延层,用于制造功率器件;而在碳化硅上生长氮化镓外延层,则可以制造中低压高频功率器件(小于650V)、大功率微波射频器件以及光电器件。这种方法目前被广泛应用于碳化硅和氮化镓芯片的制造。
 
碳化硅:为何成为氮化镓外延片的最佳异质衬底?
 
有人不禁要问,为什么碳化硅可以作为氮化镓外延片的最佳异质衬底?为什么不直接使用氮化镓单晶衬底呢?事实上,理论上来说,氮化镓外延片最好使用氮化镓自身的单晶衬底。然而,氮化镓单晶衬底非常难以制造。在反应过程中,难以控制产生的上百种副产物。同时,氮化镓单晶衬底的长晶效率极低,并且面积较小、价格昂贵,缺乏经济性。相比之下,碳化硅与氮化镓具有超过95%的晶格适配度,性能指标远超其他衬底材料,如蓝宝石、硅和砷化镓等。因此,碳化硅基氮化镓外延片成为最佳选择。
 
碳化硅的优势是什么?
 
如果只考虑碳化硅芯片,与传统的硅基功率芯片相比,在功率半导体领域,碳化硅具有无可比拟的优势:它能够承受更大的电流和电压、具备更高的开关速度、更小的能量损失以及更好的耐高温性能。因此,使用碳化硅制成的功率模块可以相应地减少电容、电感、线圈和散热组件等元器件的数量,使整个功率器件模块更加轻巧、节能,输出功率更强,同时也增强了可靠性。这些优点非常明显。
 
从终端应用的角度来看,在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域,碳化硅材料得到广泛应用,市场潜力巨大。行业内外都已经认识到碳化硅在未来的巨大应用潜力,并纷纷布局,因此“黄金赛道”不虚此名。
 
探讨无线智能实用网络(Wi-SUN)技术
 
在物联网领域,人们通常首先想到的是NB-IoT和LoRa这两种发展最快的通信技术。它们广泛应用于各种领域和场景。然而,在通信领域,技术的发展始终在不断进步中,并且WI-SUN技术也逐渐引起了人们的关注。
 
Wi-SUN技术的全称是无线智能实用网络(wireless smart utility network)。2012年,IEEE发布了IEEE 802.15.4g标准,该标准定义了无线智能实用网络的物理无线电层。随后成立了Wi-SUN联盟,旨在利用这一标准通过开发通信配置文件、测试和认证程序来帮助供应商生产兼容和可互操作的产品。Wi-SUN联盟一直致力于解决智能电网中复杂的通信技术网络,并专注于专有系统和遗留设备。
 
传统的有线网络使用各种拓扑结构进行连接。然而,无线网络通常采用星形拓扑或网状拓扑,甚至是星形与网状拓扑的组合。在星形拓扑中,设备连接到中央基站。这种网络的一个缺点是可靠性较低。如果设备出现故障、干扰或障碍物,可能会导致设备之间的通信中断。而网状拓扑结构使得设备能够与周围的多个设备相互连接。连接的设备可以相互中继通信,并将其传递到下游节点中的一部分。Mesh网络通常选择最短路径返回到源节点,并通过常规的高速有线链路将流量传输至后端系统。这样可以提高整体网络的可靠性和稳定性。
 
WI-SUN技术在智慧城市、能源管理、公共服务等领域展示出巨大的潜力。它具备广覆盖、开放标准、互操作性和安全性等特点,成为未来物联网通信的重要选择之一。
 
探讨物联网中的通信技术和安全性
 
在物联网领域,NB-IoT和LoRa是目前发展最快的通信技术。NB-IoT是由第三代合作伙伴计划(3GPP)于2016年开发的窄带物联网协议,使用GSM频谱或保护频带来分离信道和防止干扰。而LoRaWAN则是一种低功耗广域网技术,基于专有扩频技术,主要针对不经常通信的设备。
 
NB-IoT和LoRa都采用了星型网络拓扑结构。与蜂窝系统类似,星型网络容易受到天气或物理障碍引入的“黑点”影响,导致连接质量下降。作为一项基于标准的技术,NB-IoT具有获得广泛支持和建立利益相关方生态系统的潜力,尽管它仍然属于相对较新的技术,仍在不断发展中。LoRa则由一个有400多个成员的非营利联盟提供支持,但不同成员之间的互操作性尚不明确。此外,LoRa使用专有的无线电技术,而不是标准技术。
 
Wi-SUN技术在家庭局域网(HAN)和户外局域网(FAN)这两个领域都有应用。Wi-SUN FAN认证由Wi-SUN联盟主导,支持IPv6协议。IPv6充当每个连接设备的网络ID,并具备IP节点和大型网状网络等功能,非常适合物联网应用。Wi-SUN FAN利用30多年的IP技术开发经验,通过P2P IP基础设施促进开放标准和互操作性。
 
安全性是物联网中一个重要的问题。当所有设备都接入物联网时,数据的机密性、完整性和可用性容易受到黑客的威胁。Wi-SUN FAN采用IEEE 802.15.4强大的AES链路层安全功能,提供分组加密,并使用IETF EAP-TLS进行网络认证,通过ieee802.11i进行密钥管理,以提高网络安全性。Wi-SUN技术支持IPv6及相关的网络安全特性,如入侵检测、流量整形、网络分析和渗透测试等,有效防范DoS(拒绝服务)攻击。Wi-SUN联盟正在努力争取一批全球制造商就基于IPv6的智能电网通信设备制定通用规范。最初的应用包括气体计量、需求/响应系统和配电自动化。可以预见,Wi-SUN技术将在未来大放异彩。
 
罗姆(Rohm)在其产品线中提供了三款Wi-SUN模块。其中,BP35A1是一款特定的小功率无线模块,支持国际无线通信规格标准Wi-SUN的920MHz频段,非常适用于智能社区。它内置了32位高功率微控制器,可方便地应用于各种家庭能源管理系统(HEMS)设备。
 
另一款适用于HEMS的Wi-SUN模块是最新的BP35C0,采用了天线外置型小型表面贴装设计。该模块搭载了RF芯片、微控制器和LAPIS Semiconductor的无线通信LSI“ML7416N”,具备业界最高级别的接收灵敏度,并且具备适用于Wi-SUN的大容量内存。BP35C0支持Wi-SUN Profile中的B路径和HAN,尺寸为15mm×19mm,是业界最小的模块,非常适合HEMS控制器和各种家电。此外,该产品已通过日本电波法认证。
 
我们还为使用BP35C0的用户推出了一个适配板产品“BP35C0-T01”,可以通过网络商城销售。该适配板配备了电路板,方便用户进行简单评估。模块已经预装了对应的固件,并且已经获得了日本国内无线电法的认证,非常方便客户使用。
 
最后,BP35C2是一款搭载BP35C0的USB加密狗型产品。该模块内置了天线,并已完成无线功率调整,通过了日本电波法认证。用户可以直接将其插入家庭网关或其他IoT设备的USB接口上,简单地构建Wi-SUN环境。

 

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