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功率半導(dǎo)體的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下一代能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè),構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的未來

發(fā)布時(shí)間:2022-04-22 來源:Asif Jakwani,安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】全球變暖是人類面臨的最大挑戰(zhàn)。全球科學(xué)家已達(dá)成共識(shí),必須將溫室氣體排放足跡減少到 2000 年的水平,將全球氣溫上升限制在 1.5oC 以下,才能擁有一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來。要實(shí)現(xiàn)面向未來的可持續(xù)能源網(wǎng)絡(luò),綠色轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行,下一代能源基礎(chǔ)設(shè)施必須對(duì)環(huán)境有利。安森美認(rèn)為下一代能源網(wǎng)絡(luò)將主要基于太陽能和風(fēng)能等可再生能源,并結(jié)合能源儲(chǔ)存的能力。此外,我們認(rèn)為能耗必須向電動(dòng)汽車 (EV) 等高效和零排放的負(fù)載遷移,以實(shí)現(xiàn)可行且可持續(xù)的能源網(wǎng)絡(luò)。


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圖 1:21 世紀(jì)能源網(wǎng)絡(luò)


無論是太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能等可再生能源,還是電動(dòng)汽車和變頻電機(jī)等高效負(fù)載,都需要功率半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能,主要采用絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC),將間歇性可變能源轉(zhuǎn)換為可持續(xù)性的一致能源網(wǎng)絡(luò),提供零排放的可再生能源。對(duì)于新興的電動(dòng)汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施,IGBT 和 SiC 在可預(yù)見的未來都將成為運(yùn)輸能源網(wǎng)絡(luò)的主力,促進(jìn)實(shí)現(xiàn)零排放運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于工業(yè)、樓宇和工廠自動(dòng)化,采用 IGBT 和金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實(shí)現(xiàn)變頻無刷直流電機(jī) (BLDC);人類與云和 5G 網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接也是如此。最新一代的 MOSFET 技術(shù)正助力高效電源和 UPS,為全球人類網(wǎng)絡(luò)提供無處不在的聯(lián)接。  


法規(guī)、激勵(lì)措施和可觀的投資回報(bào)驅(qū)動(dòng)可再生能源的增長(zhǎng)


為了實(shí)現(xiàn)面向未來的可持續(xù)全球能源網(wǎng)絡(luò),全球所有主要經(jīng)濟(jì)體和地區(qū)都在采取不同程度的法規(guī)和激勵(lì)措施,以實(shí)現(xiàn)去碳化并限制溫室氣體排放。在法規(guī)、激勵(lì)措施和可觀的投資回報(bào)的共同驅(qū)動(dòng)下,我們預(yù)計(jì)可再生能源容量 (GW) 在未來十年將翻一番。由于太陽能光伏電池板成本下降,太陽能將成為這一增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

在擁有化石能源主要用戶和最大碳排放者的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中,鑒于政府法規(guī),以及汽車制造商將更廣泛的產(chǎn)品組合搭載更長(zhǎng)行駛里程的汽車推向市場(chǎng),將加速電動(dòng)汽車 (EV) 的變革步伐。加速采用電動(dòng)汽車的另一個(gè)因素是化石燃料儲(chǔ)量減少以及由此帶來的開采成本增加。 


隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,尤其是在新興經(jīng)濟(jì)體和前沿經(jīng)濟(jì)體中,電機(jī)的使用在不斷增加。在發(fā)達(dá)國(guó)家,樓宇和工廠自動(dòng)化將保持增長(zhǎng),以抵消更高(且持續(xù)上升)的勞動(dòng)力成本。該領(lǐng)域的法規(guī)將要求使用更高效的電機(jī),這也將需要更高效的逆變器來驅(qū)動(dòng)這些電機(jī),以免浪費(fèi)能源。


全球大約有 45% 的電力消耗在電機(jī)上,因此電機(jī)效率提高將對(duì)降低能耗產(chǎn)生重大影響。其相關(guān)逆變器對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)至關(guān)重要,我們預(yù)計(jì)在未來 10 年內(nèi),在交流和直流電機(jī)應(yīng)用中,這些設(shè)備的使用量將翻一番。雖然運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的降低會(huì)帶來有利影響,但預(yù)期這里的主要驅(qū)動(dòng)力將是更嚴(yán)格的能效法規(guī)。


零排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力

功率半導(dǎo)體的創(chuàng)新將成為 驅(qū)動(dòng)可再生能源和高效負(fù)載能源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。為了使功率半導(dǎo)體能夠幫助我們持續(xù)高效地利用能源并實(shí)現(xiàn)零排放,需要在開關(guān)技術(shù)性能、高效封裝、成本和容量這些關(guān)鍵領(lǐng)域取得進(jìn)展。


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圖 2:零排放的三大關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力


無論是 MOSFET、IGBT 還是 SiC 器件,開關(guān)時(shí)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力都將是技術(shù)創(chuàng)新,以此提高開關(guān)的運(yùn)行效率,同時(shí)降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。另一個(gè)關(guān)鍵變量是高效封裝,因?yàn)椴]有真正理想的開關(guān),總會(huì)有一些必須以熱量形式從半導(dǎo)體芯片中釋放出的損耗。從商業(yè)角度來看,成本始終是一個(gè)重要因素,隨著電動(dòng)汽車、可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施和云電源的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),這些技術(shù)的供應(yīng)鏈彈性成為最關(guān)鍵的因素之一。   


功率半導(dǎo)體的技術(shù)創(chuàng)新

在半導(dǎo)體技術(shù)中,通常視乎特定應(yīng)用的功率水平和開關(guān)頻率,去選擇最優(yōu)化的開關(guān)技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)極高的系統(tǒng)級(jí)能效。要提供下一代高效可持續(xù)網(wǎng)絡(luò),唯一途徑是在所有這些技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新。


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圖 3:開關(guān)技術(shù)將特定于應(yīng)用


安森美領(lǐng)先于硅 (Si) 技術(shù)、MOSFET 和 IGBT 技術(shù),同時(shí)正在大力投資以實(shí)現(xiàn) SiC 競(jìng)爭(zhēng)力的跳躍式發(fā)展,為市場(chǎng)提供出色的開關(guān)技術(shù)。


SiC 是第3代半導(dǎo)體,又稱寬禁帶 (WBG) 材料,具有比硅更勝一籌的性能。其主要性能驅(qū)動(dòng)因素是可實(shí)現(xiàn)更高密度的單元結(jié)構(gòu)。這種更高的單元密度可提高效率,允許電動(dòng)汽車使用相同的電池組提供更長(zhǎng)的行駛里程。


對(duì)于 IGBT,硅片的晶圓厚度和深場(chǎng)停止層對(duì)于提高效率和增加功率能力變得非常關(guān)鍵。對(duì)于 MOSFET,關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素則是單元間距和單元密度。安森美持續(xù)推動(dòng)減少這兩個(gè)因素,從而提升效率。 


封裝的創(chuàng)新有助于提升散熱性和可靠性。根據(jù)應(yīng)用,可以使用分立器件或模塊。在電動(dòng)汽車等很高功率 (150kW-250kW) 的應(yīng)用中,主驅(qū)模塊可能是理想選擇。 


封裝創(chuàng)新有三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域:互連、材料和模塊。在互連領(lǐng)域,從焊料互連轉(zhuǎn)向燒結(jié)或燒結(jié)夾,可以降低接觸電阻,進(jìn)而提高可靠性。 


在材料領(lǐng)域,關(guān)鍵創(chuàng)新涉及銀和銅的燒結(jié)以及最終嵌入,這可以延長(zhǎng)生命周期并提高功率密度。在主驅(qū)模塊中,封裝熱阻是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在此,使用雙面直冷可顯著改善熱阻,從而提高功率密度。


可靠且高彈性的供應(yīng)鏈


除了開關(guān)和封裝方面的技術(shù)進(jìn)步外,安森美還提供了可靠且高彈性的供應(yīng)鏈。盡管安森美采用其 Fab-lite(輕晶圓廠)模式,但它是為數(shù)不多的一家能夠在內(nèi)部加工自己的晶圓的功率半導(dǎo)體公司,可提供穩(wěn)固的供應(yīng)鏈。最近的 GT Advanced Technologies 收購(gòu)可確保 SiC 的高度垂直整合和彈性供應(yīng)鏈,SiC 是實(shí)現(xiàn)未來可持續(xù)增長(zhǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過與包括晶圓廠和代工廠在內(nèi)的第三方的長(zhǎng)期合作伙伴,供應(yīng)鏈彈性得到增強(qiáng)。 


總結(jié)


下一代高效能源網(wǎng)絡(luò)將建立在具有存儲(chǔ)能力的可再生能源之上,同時(shí)將非常有效地利用由電動(dòng)汽車、變頻電機(jī)和高效負(fù)載驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。出色的硅和 SiC 開關(guān)技術(shù)、高效可靠的封裝和彈性供應(yīng)鏈,是未來能實(shí)現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。  


安森美是硅基器件領(lǐng)域公認(rèn)的領(lǐng)軍企業(yè),并正大量投資成為基于 SiC 器件領(lǐng)域的佼佼者,繼續(xù)為行業(yè)提供智能高效的功率半導(dǎo)體,助力行業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放,構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的未來。 



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