全球變暖是人類(lèi)面臨的最大挑戰。全球科學(xué)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(gè)可持續發(fā)展的未來(lái)。要實(shí)現面向未來(lái)的可持續能源網(wǎng)絡(luò )，綠色轉型勢在必行，下一代能源基礎設施必須對環(huán)境有利。安森美認為下一代能源網(wǎng)絡(luò )將主要基于太陽(yáng)能和風(fēng)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(dòng)汽車(chē) (EV) 等高效和零排放的負載遷移，以實(shí)現可行且可持續的能源網(wǎng)絡(luò )。
圖 1：21 世紀能源網(wǎng)絡(luò )
無(wú)論是太陽(yáng)能、風(fēng)能和儲能等可再生能源，還是電動(dòng)汽車(chē)和變頻電機等高效負載，都需要功率半導體來(lái)實(shí)現。對于太陽(yáng)能、風(fēng)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(wǎng)絡(luò )，提供零排放的可再生能源。對于新興的電動(dòng)汽車(chē)和充電基礎設施，IGBT 和 SiC 在可預見(jiàn)的未來(lái)都將成為運輸能源網(wǎng)絡(luò )的主力，促進(jìn)實(shí)現零排放運輸網(wǎng)絡(luò )。對于工業(yè)、樓宇和工廠(chǎng)自動(dòng)化，采用 IGBT 和金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 實(shí)現變頻無(wú)刷直流電機 (BLDC)；人類(lèi)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(lèi)網(wǎng)絡(luò )提供無(wú)處不在的聯(lián)接。
法規、激勵措施和可觀(guān)的投資回報驅動(dòng)可再生能源的增長(cháng)
為了實(shí)現面向未來(lái)的可持續全球能源網(wǎng)絡(luò )，全球所有主要經(jīng)濟體和地區都在采取不同程度的法規和激勵措施，以實(shí)現去碳化并限制溫室氣體排放。在法規、激勵措施和可觀(guān)的投資回報的共同驅動(dòng)下，我們預計可再生能源容量 (GW) 在未來(lái)十年將翻一番。由于太陽(yáng)能光伏電池板成本下降，太陽(yáng)能將成為這一增長(cháng)的主要驅動(dòng)力。
在擁有化石能源主要用戶(hù)和最大碳排放者的運輸網(wǎng)絡(luò )中，鑒于政府法規，以及汽車(chē)制造商將更廣泛的產(chǎn)品組合搭載更長(cháng)行駛里程的汽車(chē)推向市場(chǎng)，將加速電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的變革步伐。加速采用電動(dòng)汽車(chē)的另一個(gè)因素是化石燃料儲量減少以及由此帶來(lái)的開(kāi)采成本增加。
隨著(zhù)工業(yè)化進(jìn)程的加快，尤其是在新興經(jīng)濟體和前沿經(jīng)濟體中，電機的使用在不斷增加。在發(fā)達國家，樓宇和工廠(chǎng)自動(dòng)化將保持增長(cháng)，以抵消更高（且持續上升）的勞動(dòng)力成本。該領(lǐng)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(lái)驅動(dòng)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(chǎn)生重大影響。其相關(guān)逆變器對于實(shí)現這些改進(jìn)至關(guān)重要，我們預計在未來(lái) 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(yíng)費用的降低會(huì )帶來(lái)有利影響，但預期這里的主要驅動(dòng)力將是更嚴格的能效法規。
零排放的關(guān)鍵驅動(dòng)力
功率半導體的創(chuàng )新將成為 驅動(dòng)可再生能源和高效負載能源網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵驅動(dòng)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(shí)現零排放，需要在開(kāi)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)鍵驅動(dòng)力
無(wú)論是 MOSFET、IGBT 還是 SiC 器件，開(kāi)關(guān)時(shí)的關(guān)鍵驅動(dòng)力都將是技術(shù)創(chuàng )新，以此提高開(kāi)關(guān)的運行效率，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，因為并沒(méi)有真正理想的開(kāi)關(guān)，總會(huì )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(yè)角度來(lái)看，成本始終是一個(gè)重要因素，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源基礎設施和云電源的指數級增長(cháng)，這些技術(shù)的供應鏈彈性成為最關(guān)鍵的因素之一。
功率半導體的技術(shù)創(chuàng )新
在半導體技術(shù)中，通常視乎特定應用的功率水平和開(kāi)關(guān)頻率，去選擇最優(yōu)化的開(kāi)關(guān)技術(shù)，從而實(shí)現極高的系統級能效。要提供下一代高效可持續網(wǎng)絡(luò )，唯一途徑是在所有這些技術(shù)領(lǐng)域的持續創(chuàng )新。
圖 3：開(kāi)關(guān)技術(shù)將特定于應用
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 SiC 競爭力的跳躍式發(fā)展，為市場(chǎng)提供出色的開(kāi)關(guān)技術(shù)。
SiC 是第3代半導體，又稱(chēng)寬禁帶 (WBG) 材料，具有比硅更勝一籌的性能。其主要性能驅動(dòng)因素是可實(shí)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(dòng)汽車(chē)使用相同的電池組提供更長(cháng)的行駛里程。
對于 IGBT，硅片的晶圓厚度和深場(chǎng)停止層對于提高效率和增加功率能力變得非常關(guān)鍵。對于 MOSFET，關(guān)鍵驅動(dòng)因素則是單元間距和單元密度。安森美持續推動(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。根據應用，可以使用分立器件或模塊。在電動(dòng)汽車(chē)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(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，從焊料互連轉向燒結或燒結夾，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以及最終嵌入，這可以延長(cháng)生命周期并提高功率密度。在主驅模塊中，封裝熱阻是一個(gè)關(guān)鍵參數。在此，使用雙面直冷可顯著(zhù)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(kāi)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鏈。盡管安森美采用其 Fab-lite（輕晶圓廠(chǎng)）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(shí)現未來(lái)可持續增長(cháng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)與包括晶圓廠(chǎng)和代工廠(chǎng)在內的第三方的長(cháng)期合作伙伴，供應鏈彈性得到增強。
總結
下一代高效能源網(wǎng)絡(luò )將建立在具有存儲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(chē)、變頻電機和高效負載驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )。出色的硅和 SiC 開(kāi)關(guān)技術(shù)、高效可靠的封裝和彈性供應鏈，是未來(lái)能實(shí)現凈零排放的關(guān)鍵驅動(dòng)力。
安森美是硅基器件領(lǐng)域公認的領(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，繼續為行業(yè)提供智能高效的功率半導體，助力行業(yè)實(shí)現凈零排放，構建可持續發(fā)展的未來(lái)。 |
