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功率半导体的创新驱动下一代能源网络建设,构建可持续发展的未来

作者:安森美先进电源分部高级副总裁兼总经理 Asif Jakwani

全球变暖是人类面临的最大挑战。全球科学家已达成共识,必须将温室气体排放足迹减少到 2000 年的水平,将全球气温上升限制在 1.5oC 以下,才能拥有一个可持续发展的未来。要实现面向未来的可持续能源网络,绿色转型势在必行,下一代能源基础设施必须对环境有利。安森美认为下一代能源网络将主要基于太阳能和风能等可再生能源,并结合能源储存的能力。此外,我们认为能耗必须向电动汽车 (EV) 等高效和零排放的负载迁移,以实现可行且可持续的能源网络。

 

无论是太阳能、风能和储能等可再生能源,还是电动汽车和变频电机等高效负载,都需要功率半导体来实现。对于太阳能、风能和储能,主要采用绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC),将间歇性可变能源转换为可持续性的一致能源网络,提供零排放的可再生能源。对于新兴的电动汽车和充电基础设施,IGBT 和 SiC 在可预见的未来都将成为运输能源网络的主力,促进实现零排放运输网络。对于工业、楼宇和工厂自动化,采用 IGBT 和金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET) 实现变频无刷直流电机 (BLDC);人类与云和 5G 网络的联接也是如此。最新一代的 MOSFET 技术正助力高效电源和 UPS,为全球人类网络提供无处不在的联接。 

 

法规、激励措施和可观的投资回报驱动可再生能源的增长

 

为了实现面向未来的可持续全球能源网络,全球所有主要经济体和地区都在采取不同程度的法规和激励措施,以实现去碳化并限制温室气体排放。在法规、激励措施和可观的投资回报的共同驱动下,我们预计可再生能源容量 (GW) 在未来十年将翻一番。由于太阳能光伏电池板成本下降,太阳能将成为这一增长的主要驱动力。

在拥有化石能源主要用户和最大碳排放者的运输网络中,鉴于政府法规,以及汽车制造商将更广泛的产品组合搭载更长行驶里程的汽车推向市场,将加速电动汽车 (EV) 的变革步伐。加速采用电动汽车的另一个因素是化石燃料储量减少以及由此带来的开采成本增加。

 

随着工业化进程的加快,尤其是在新兴经济体和前沿经济体中,电机的使用在不断增加。在发达国家,楼宇和工厂自动化将保持增长,以抵消更高(且持续上升)的劳动力成本。该领域的法规将要求使用更高效的电机,这也将需要更高效的逆变器来驱动这些电机,以免浪费能源。

 

全球大约有 45% 的电力消耗在电机上,因此电机效率提高将对降低能耗产生重大影响。其相关逆变器对于实现这些改进至关重要,我们预计在未来 10 年内,在交流和直流电机应用中,这些设备的使用量将翻一番。虽然运营费用的降低会带来有利影响,但预期这里的主要驱动力将是更严格的能效法规。

 

零排放的关键驱动力

功率半导体的创新将成为 驱动可再生能源和高效负载能源网络的关键驱动力。为了使功率半导体能够帮助我们持续高效地利用能源并实现零排放,需要在开关技术性能、高效封装、成本和容量这些关键领域取得进展。

 

 

无论是 MOSFET、IGBT 还是 SiC 器件,开关时的关键驱动力都将是技术创新,以此提高开关的运行效率,同时降低静态和动态损耗。另一个关键变量是高效封装,因为并没有真正理想的开关,总会有一些必须以热量形式从半导体芯片中释放出的损耗。从商业角度来看,成本始终是一个重要因素,随着电动汽车、可再生能源基础设施和云电源的指数级增长,这些技术的供应链弹性成为最关键的因素之一。  

 

功率半导体的技术创新

在半导体技术中,通常视乎特定应用的功率水平和开关频率,去选择最优化的开关技术,从而实现极高的系统级能效。要提供下一代高效可持续网络,唯一途径是在所有这些技术领域的持续创新。 

安森美领先于硅 (Si) 技术、MOSFET 和 IGBT 技术,同时正在大力投资以实现 SiC 竞争力的跳跃式发展,为市场提供出色的开关技术。

 

SiC 是第3代半导体,又称宽禁带 (WBG) 材料,具有比硅更胜一筹的性能。其主要性能驱动因素是可实现更高密度的单元结构。这种更高的单元密度可提高效率,允许电动汽车使用相同的电池组提供更长的行驶里程。

 

对于 IGBT,硅片的晶圆厚度和深场停止层对于提高效率和增加功率能力变得非常关键。对于 MOSFET,关键驱动因素则是单元间距和单元密度。安森美持续推动减少这两个因素,从而提升效率。

 

封装的创新有助于提升散热性和可靠性。根据应用,可以使用分立器件或模块。在电动汽车等很高功率 (150kW-250kW) 的应用中,主驱模块可能是理想选择。

 

封装创新有三个关键领域:互连、材料和模块。在互连领域,从焊料互连转向烧结或烧结夹,可以降低接触电阻,进而提高可靠性。

 

在材料领域,关键创新涉及银和铜的烧结以及最终嵌入,这可以延长生命周期并提高功率密度。在主驱模块中,封装热阻是一个关键参数。在此,使用双面直冷可显著改善热阻,从而提高功率密度。

 

可靠且高弹性的供应链

除了开关和封装方面的技术进步外,安森美还提供了可靠且高弹性的供应链。尽管安森美采用其 Fab-lite(轻晶圆厂)模式,但它是为数不多的一家能够在内部加工自己的晶圆的功率半导体公司,可提供稳固的供应链。最近的 GT Advanced Technologies 收购可确保 SiC 的高度垂直整合和弹性供应链,SiC 是实现未来可持续增长的关键技术之一。通过与包括晶圆厂和代工厂在内的第三方的长期合作伙伴,供应链弹性得到增强。

 

总结

下一代高效能源网络将建立在具有存储能力的可再生能源之上,同时将非常有效地利用由电动汽车、变频电机和高效负载驱动的网络。出色的硅和 SiC 开关技术、高效可靠的封装和弹性供应链,是未来能实现净零排放的关键驱动力。 

 

安森美是硅基器件领域公认的领军企业,并正大量投资成为基于 SiC 器件领域的佼佼者,继续为行业提供智能高效的功率半导体,助力行业实现净零排放,构建可持续发展的未来。

 


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