功率半導體的創新驅動下一代能源網絡建設,構建可持續發展的未來

電源與新能源   作者:安森美先進電源分部高級副總裁兼總經理Asif Jakwani 時間:2022-04-22來源:電子產品世界

全球變暖是人類面臨的最大挑戰。全球科學家已達成共識,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,才能擁有一個可持續發展的未來。要實現面向未來的可持續能源網絡,綠色轉型勢在必行,下一代能源基礎設施必須對環境有利。安森美認為下一代能源網絡將主要基于太陽能和風能等可再生能源,并結合能源儲存的能力。此外,我們認為能耗必須向電動汽車 (EV) 等高效和零排放的負載遷移,以實現可行且可持續的能源網絡。

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圖1 21世紀能源網絡

無論是太陽能、風能和儲能等可再生能源,還是電動汽車和變頻電機等高效負載,都需要功率半導體來實現。對于太陽能、風能和儲能,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換為可持續性的一致能源網絡,提供零排放的可再生能源。對于新興的電動汽車和充電基礎設施,IGBT 和 SiC 在可預見的未來都將成為運輸能源網絡的主力,促進實現零排放運輸網絡。對于工業、樓宇和工廠自動化,采用 IGBT 和金屬氧化物場效應晶體管 (MOSFET) 實現變頻無刷直流電機 (BLDC);人類與云和 5G 網絡的聯接也是如此。最新一代的 MOSFET 技術正助力高效電源和 UPS,為全球人類網絡提供無處不在的聯接。  

法規、激勵措施和可觀的投資回報驅動可再生能源的增長

為了實現面向未來的可持續全球能源網絡,全球所有主要經濟體和地區都在采取不同程度的法規和激勵措施,以實現去碳化并限制溫室氣體排放。在法規、激勵措施和可觀的投資回報的共同驅動下,我們預計可再生能源容量 (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的主要驅動力。

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

隨著工業化進程的加快,尤其是在新興經濟體和前沿經濟體中,電機的使用在不斷增加。在發達國家,樓宇和工廠自動化將保持增長,以抵消更高(且持續上升)的勞動力成本。該領域的法規將要求使用更高效的電機,這也將需要更高效的逆變器來驅動這些電機,以免浪費能源。

全球大約有 45% 的電力消耗在電機上,因此電機效率提高將對降低能耗產生重大影響。其相關逆變器對于實現這些改進至關重要,我們預計在未來 10 年內,在交流和直流電機應用中,這些設備的使用量將翻一番。雖然運營費用的降低會帶來有利影響,但預期這里的主要驅動力將是更嚴格的能效法規。

零排放的關鍵驅動力

功率半導體的創新將成為 驅動可再生能源和高效負載能源網絡的關鍵驅動力。為了使功率半導體能夠幫助我們持續高效地利用能源并實現零排放,需要在開關技術性能、高效封裝、成本和容量這些關鍵領域取得進展。

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圖2 零排放的三大關鍵驅動力

無論是 MOSFET、IGBT 還是 SiC 器件,開關時的關鍵驅動力都將是技術創新,以此提高開關的運行效率,同時降低靜態和動態損耗。另一個關鍵變量是高效封裝,因為并沒有真正理想的開關,總會有一些必須以熱量形式從半導體芯片中釋放出的損耗。從商業角度來看,成本始終是一個重要因素,隨著電動汽車、可再生能源基礎設施和云電源的指數級增長,這些技術的供應鏈彈性成為最關鍵的因素之一。  

功率半導體的技術創新

在半導體技術中,通常視乎特定應用的功率水平和開關頻率,去選擇最優化的開關技術,從而實現極高的系統級能效。要提供下一代高效可持續網絡,唯一途徑是在所有這些技術領域的持續創新。

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圖3 開關技術將特定于應用

安森美領先于硅 (Si) 技術、MOSFET 和 IGBT 技術,同時正在大力投資以實現 SiC 競爭力的跳躍式發展,為市場提供出色的開關技術。

SiC 是第3代半導體,又稱寬禁帶 (WBG) 材料,具有比硅更勝一籌的性能。其主要性能驅動因素是可實現更高密度的單元結構。這種更高的單元密度可提高效率,允許電動汽車使用相同的電池組提供更長的行駛里程。

對于 IGBT,硅片的晶圓厚度和深場停止層對于提高效率和增加功率能力變得非常關鍵。對于 MOSFET,關鍵驅動因素則是單元間距和單元密度。安森美持續推動減少這兩個因素,從而提升效率。

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

封裝創新有三個關鍵領域:互連、材料和模塊。在互連領域,從焊料互連轉向燒結或燒結夾,可以降低接觸電阻,進而提高可靠性。

在材料領域,關鍵創新涉及銀和銅的燒結以及最終嵌入,這可以延長生命周期并提高功率密度。在主驅模塊中,封裝熱阻是一個關鍵參數。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鏈

除了開關和封裝方面的技術進步外,安森美還提供了可靠且高彈性的供應鏈。盡管安森美采用其 Fab-lite(輕晶圓廠)模式,但它是為數不多的一家能夠在內部加工自己的晶圓的功率半導體公司,可提供穩固的供應鏈。最近的 GT Advanced Technologies 收購可確保 SiC 的高度垂直整合和彈性供應鏈,SiC 是實現未來可持續增長的關鍵技術之一。通過與包括晶圓廠和代工廠在內的第三方的長期合作伙伴,供應鏈彈性得到增強。

總結

下一代高效能源網絡將建立在具有存儲能力的可再生能源之上,同時將非常有效地利用由電動汽車、變頻電機和高效負載驅動的網絡。出色的硅和 SiC 開關技術、高效可靠的封裝和彈性供應鏈,是未來能實現凈零排放的關鍵驅動力。 

安森美是硅基器件領域公認的領軍企業,并正大量投資成為基于 SiC 器件領域的佼佼者,繼續為行業提供智能高效的功率半導體,助力行業實現凈零排放,構建可持續發展的未來。

關鍵詞: MOSFET

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