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

全球變暖是人類面臨的最大挑戰(zhàn)。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，才能擁有一個可持續(xù)發(fā)展的未來。要實現(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)將主要基于太陽能和風(fēng)能等可再生能源，并結(jié)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(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(dǎo)體來實現(xiàn)。對于太陽能、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(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。對于新興的電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施，IGBT 和 SiC 在可預(yù)見的未來都將成為運輸能源網(wǎng)絡(luò)的主力，促進實現(xiàn)零排放運輸網(wǎng)絡(luò)。對于工業(yè)、樓宇和工廠自動化，采用 IGBT 和金屬氧化物場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實現(xiàn)變頻無刷直流電機 (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)、激勵措施和可觀的投資回報驅(qū)動可再生能源的增長

為了實現(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)濟體和地區(qū)都在采取不同程度的法規(guī)和激勵措施，以實現(xiàn)去碳化并限制溫室氣體排放。在法規(guī)、激勵措施和可觀的投資回報的共同驅(qū)動下，我們預(yù)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(qū)動力。

在擁有化石能源主要用戶和最大碳排放者的運輸網(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(yè)化進程的加快，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，樓宇和工廠自動化將保持增長，以抵消更高（且持續(xù)上升）的勞動力成本。該領(lǐng)域的法規(guī)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(qū)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(chǎn)生重大影響。其相關(guān)逆變器對于實現(xiàn)這些改進至關(guān)重要，我們預(yù)計在未來 10 年內(nèi)，在交流和直流電機應(yīng)用中，這些設(shè)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(yù)期這里的主要驅(qū)動力將是更嚴格的能效法規(guī)。

零排放的關(guān)鍵驅(qū)動力

功率半導(dǎo)體的創(chuàng)新將成為 驅(qū)動可再生能源和高效負載能源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵驅(qū)動力。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)域取得進展。

圖2 零排放的三大關(guān)鍵驅(qū)動力

無論是 MOSFET、IGBT 還是 SiC 器件，開關(guān)時的關(guān)鍵驅(qū)動力都將是技術(shù)創(chuàng)新，以此提高開關(guān)的運行效率，同時降低靜態(tài)和動態(tài)損耗。另一個關(guān)鍵變量是高效封裝，因為并沒有真正理想的開關(guān)，總會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，成本始終是一個重要因素，隨著電動汽車、可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施和云電源的指數(shù)級增長，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)，從而實現(xiàn)極高的系統(tǒng)級能效。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)，同時正在大力投資以實現(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)動因素是可實現(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(guān)鍵。對于 MOSFET，關(guān)鍵驅(qū)動因素則是單元間距和單元密度。安森美持續(xù)推動減少這兩個因素，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。

總結(jié)

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，同時將非常有效地利用由電動汽車、變頻電機和高效負載驅(qū)動的網(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，是未來能實現(xiàn)凈零排放的關(guān)鍵驅(qū)動力。 

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(xù)為行業(yè)提供智能高效的功率半導(dǎo)體，助力行業(yè)實現(xiàn)凈零排放，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的未來。