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

　　作者：安森美先進(jìn)電源分部高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Asif Jakwani

　　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)。

　　

　　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

　　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)品組合搭載更長行駛里程的汽車推向市場，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)國家，樓宇和工廠自動(dòng)化將保持增長，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。

　　

　　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�沒有真正理想的開關(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，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。

　　

　　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競爭力的跳躍式發(fā)展，為市場提供出色的開關(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的行駛里程。

　　對(duì)于IGBT，硅片的晶圓厚度和深場停止層對(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。