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動(dòng)力半導(dǎo)體的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下一代能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè),構(gòu)建未來可持續(xù)發(fā)展
(2024年11月23日更新)

全球變暖是人類面臨的最大挑戰(zhàn)。全球科學(xué)家已經(jīng)達(dá)成共識(shí),必須將溫室氣體排放足跡減少到 2000 年度水平限制了全球氣溫上升 1.5oC 只有這樣,我們才能有一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來。為了實(shí)現(xiàn)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)施必須有利于環(huán)境。安森美認(rèn)為,下一代能源網(wǎng)絡(luò)將是主要的Everlight代理以太陽能、風(fēng)能等可再生能源為基礎(chǔ),結(jié)合能源儲(chǔ)存能力。此外,我們認(rèn)為電動(dòng)汽車必須消耗能源 (EV) 負(fù)載遷移等高效零排放,實(shí)現(xiàn)可行可持續(xù)的能源網(wǎng)絡(luò)。

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圖1 21世紀(jì)能源網(wǎng)絡(luò)

電力半導(dǎo)體需要實(shí)現(xiàn)太陽能、風(fēng)能、儲(chǔ)能等可再生能源,以及電動(dòng)汽車和變頻電機(jī)的高效負(fù)載。絕緣柵雙極晶體管主要用于太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能 (IGBT) 和碳化硅 (SiC),將間歇性可變能源轉(zhuǎn)化為可持續(xù)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,它將成為運(yùn)輸能源網(wǎng)絡(luò)的主力軍,促進(jìn)零排放運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。采用工業(yè)、建筑和工廠自動(dòng)化 IGBT 晶體管與金屬氧化物的場(chǎng)效應(yīng) (MOSFET) 變頻無刷直流電機(jī) (BLDC);人類與云和 5G 網(wǎng)絡(luò)連接也是如此。最新一代的 MOSFET 技術(shù)幫助高效電源 UPS,為全球人類網(wǎng)絡(luò)提供無處不在的聯(lián)系。

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

為了實(shí)現(xiàn)未來可持續(xù)的全球能源網(wǎng)絡(luò),世界上所有主要經(jīng)濟(jì)體和地區(qū)都在采取不同程度的法律法規(guī)和激勵(lì)措施,實(shí)現(xiàn)去碳化,限制溫室氣體排放。在法律法規(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) 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(qū)動(dòng)力。

在主要化石能源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)和汽車制造商將更廣泛的產(chǎn)品組合和更長里程的汽車推向市場(chǎng),這將加速電動(dòng)汽車 (EV) 改變步伐。加速使用電動(dòng)汽車的另一個(gè)因素是減少化石燃料儲(chǔ)量和增加開采成本。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,特別是在新興經(jīng)濟(jì)和前沿經(jīng)濟(jì)中,電機(jī)的使用越來越多。在發(fā)達(dá)國家,建筑和工廠的自動(dòng)化將保持增長,以抵消更高(持續(xù)上升)的勞動(dòng)力成本。該領(lǐng)域的法律法規(guī)將要求使用更有效的電機(jī),這也將需要更有效的逆變器來驅(qū)動(dòng)這些電機(jī),以避免浪費(fèi)能源。

全球大約有 45% 電力消耗在電機(jī)上,因此提高電機(jī)效率將對(duì)降低能耗產(chǎn)生重大影響。它的相關(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 今年,這些設(shè)備的使用和直流電機(jī)應(yīng)用中的使用量將翻一番。雖然降低運(yùn)營成本將產(chǎn)生有利影響,但預(yù)計(jì)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。為了幫助我們繼續(xù)有效地利用能源,實(shí)現(xiàn)零排放,我們需要在開關(guān)技術(shù)性能、高效包裝、成本和容量等關(guān)鍵領(lǐng)域取得進(jìn)展。

圖2 零排放的三大關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力

無論是 MOSFET、IGBT 還是 SiC 為了提高開關(guān)的運(yùn)行效率,降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗,開關(guān)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力將是技術(shù)創(chuàng)新。另一個(gè)關(guān)鍵變量是高效包裝,因?yàn)闆]有真正理想的開關(guān),總會(huì)有一些損失必須以熱量的形式從半導(dǎo)體芯片中釋放出來。從商業(yè)角度來看,成本一直是一個(gè)重要因素。隨著電動(dòng)汽車、可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施和云電源指數(shù)的增長,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,選擇最優(yōu)化的開關(guān)技術(shù)通常取決于特定應(yīng)用的功率水平和開關(guān)頻率,以實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)級(jí)能效。提供下一代高效可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)的唯一途徑是在所有這些技術(shù)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新。

圖3 開關(guān)技術(shù)將特定于應(yīng)用

安森美領(lǐng)先硅 (Si) 技術(shù)、MOSFET 和 IGBT 同時(shí),技術(shù)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)提供了優(yōu)秀的開關(guān)技術(shù)。

SiC 是第三代半導(dǎo)體,又稱寬禁帶 (WBG) 材料的性能優(yōu)于硅。其主要性能驅(qū)動(dòng)因素是可以實(shí)現(xiàn)更高密度的單元結(jié)構(gòu)。這種更高的單元密度可以提高效率,并允許電動(dòng)汽車使用相同的電池組提供更長的里程。

對(duì)于 IGBT,硅片的晶圓厚度和深停止層對(duì)提高效率和功率能力至關(guān)重要。 MOSFET,關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是單元間距和單元密度。安森美繼續(xù)減少這兩個(gè)因素,從而提高效率。

包裝的創(chuàng)新有助于提高散熱性和可靠性。根據(jù)應(yīng)用程序使用單獨(dú)的設(shè)備或模塊。電動(dòng)汽車等高功率 (150kW-250kW) 主驅(qū)模塊可能是應(yīng)用中的理想選擇。

包裝創(chuàng)新有三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域:互連、材料和模塊。從焊料互連到燒結(jié)或燒結(jié)夾,可以降低接觸電阻,提高可靠性。

在材料領(lǐng)域,關(guān)鍵創(chuàng)新包括銀銅燒結(jié)和最終嵌入,可以延長生命周期,提高功率密度。封裝熱阻是主驅(qū)動(dòng)模塊中的關(guān)鍵參數(shù)。在這里,使用雙面直接冷卻可以顯著提高熱阻,從而提高功率密度。

可靠、高彈性的供應(yīng)鏈

除了開關(guān)和包裝的技術(shù)進(jìn)步外,安森美還提供了可靠、高彈性的供應(yīng)鏈。盡管安森美采用了它 Fab-lite(輕晶圓廠)模式,但它是為數(shù)不多的能在內(nèi)部加工自己晶圓的功率半導(dǎo)體公司之一,能夠提供穩(wěn)定的供應(yīng)鏈。最近的 GT Advanced Technologies 收購可確保 SiC 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)增長的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過與第三方的長期合作伙伴,包括晶圓廠和OEM廠,提高了供應(yīng)鏈的彈性。

總結(jié)

下一代高效能源網(wǎng)絡(luò)將建立在具有存儲(chǔ)能力的可再生能源上,并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)。優(yōu)秀的硅 SiC 開關(guān)技術(shù)、高效可靠的包裝和彈性供應(yīng)鏈?zhǔn)俏磥韺?shí)現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

安森美是硅基設(shè)備領(lǐng)域公認(rèn)的龍頭企業(yè),基于大量投資 SiC 設(shè)備領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者繼續(xù)為行業(yè)提供智能高效的功率半導(dǎo)體,幫助行業(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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