在 20 世紀(jì)，主要通過燃燒煤炭等化石燃料在大型發(fā)電站集中發(fā)電。然后，電力通過長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸，并通過本地配電網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)給用戶。由于內(nèi)燃機(jī)的普及，交通網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了類似的能源基礎(chǔ)設(shè)施，化石燃料是在不穩(wěn)定和脆弱的地區(qū)長距離運(yùn)輸?shù)闹饕茉础?/p>

盡管這種能源和交通基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)到了它的目的，并使當(dāng)今大多數(shù)發(fā)達(dá)國家實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，但它通過增加溫室氣體排放對(duì)全球環(huán)境產(chǎn)生了巨大的不利影響，導(dǎo)致全球氣溫上升和極端天氣模式。隨著新興和前沿經(jīng)濟(jì)體進(jìn)入工業(yè)化階段，這種集中的以化石燃料為基礎(chǔ)的電力和交通網(wǎng)絡(luò)是不可持續(xù)的，需要未來的下一代能源網(wǎng)絡(luò)。

21世紀(jì)的能源網(wǎng)絡(luò)

用于實(shí)現(xiàn)新興和前沿經(jīng)濟(jì)體工業(yè)化以及維持發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體生活水平的下一代能源基礎(chǔ)設(shè)施必須對(duì)全球環(huán)境極為有利。全球科學(xué)家一致認(rèn)為，我們必須將溫室氣體排放足跡減少到 2000 年的水平，以將全球氣溫上升限制在 1.5 ?C以下，才能擁有可持續(xù)的未來。為實(shí)現(xiàn)未來的可持續(xù)能源網(wǎng)絡(luò)，Onsemi 認(rèn)為 21 世紀(jì)的能源網(wǎng)絡(luò)將主要以太陽能和風(fēng)能等可再生能源為基礎(chǔ)，并結(jié)合儲(chǔ)能能力，能源消耗必須向高效、電動(dòng)汽車 (EV) 等零排放負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)可行和可持續(xù)的能源網(wǎng)絡(luò)。

21 世紀(jì)的能源網(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——都將由功率半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)。在太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能的情況下，絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)主要用于將可變和間歇性能源轉(zhuǎn)換為一致、可持續(xù)的能源網(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，在可預(yù)見的未來，IGBT 和 SiC 都將成為交通能源網(wǎng)絡(luò)的主力軍，實(shí)現(xiàn)零排放交通網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于工業(yè)、樓宇和工廠自動(dòng)化，逆變器和無刷直流電機(jī)由 IGBT 和金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實(shí)現(xiàn)；人類與云和 5G 網(wǎng)絡(luò)的連接也是如此。最新一代的 MOSFET 技術(shù)正在實(shí)現(xiàn)高效電源和不間斷電源，從而為全球人類網(wǎng)絡(luò)提供無處不在的連接。

功率半導(dǎo)體增長動(dòng)力

為實(shí)現(xiàn)未來可持續(xù)的全球能源網(wǎng)絡(luò)，世界所有主要經(jīng)濟(jì)體和地區(qū)都在采用脫碳和限制溫室氣體排放，并制定了不同程度的法規(guī)和激勵(lì)措施。在法規(guī)、激勵(lì)措施和有吸引力的投資回報(bào)的共同推動(dòng)下，我們預(yù)計(jì)可再生能源在未來十年將翻一番。由于太陽能光伏板成本的下降，太陽能將成為這一增長的主要驅(qū)動(dòng)力。

在交通網(wǎng)絡(luò)、化石能源的主要用戶和最大的碳排放國中，由于政府法規(guī)和汽車制造商將更廣泛的產(chǎn)品組合和遠(yuǎn)程汽車推向市場(chǎng)，電動(dòng)汽車的變革步伐將加快。加速采用電動(dòng)汽車的另一個(gè)因素是化石燃料儲(chǔ)量的減少以及由此產(chǎn)生的更高的開采成本。

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，尤其是在新興和前沿經(jīng)濟(jì)體中，電機(jī)的使用正在增加。在發(fā)達(dá)國家，建筑和工廠自動(dòng)化將增長以抵消更高（和不斷上升）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)它們而不浪費(fèi)能源。

世界上大約 45% 的電力消耗在電機(jī)上，因此這里的效率提高將對(duì)降低能源消耗產(chǎn)生重大影響。相關(guān)的逆變器對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)至關(guān)重要，我們預(yù)計(jì)這些設(shè)備在未來 10 年內(nèi)在交流和直流電機(jī)應(yīng)用中的使用量將翻一番。雖然減少運(yùn)營費(fèi)用將是有益的，但預(yù)計(jì)這里的主要驅(qū)動(dòng)力將是更嚴(yán)格的效率立法。

功率半導(dǎo)體：零排放的關(guān)鍵推動(dòng)力

如前所述，功率半導(dǎo)體將成為 21 世紀(jì)可再生能源和高效負(fù)載能源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵推動(dòng)者。為了使功率半導(dǎo)體能夠讓我們持續(xù)有效地利用能源并實(shí)現(xiàn)零排放，它們需要在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得進(jìn)展：

開關(guān)技術(shù)性能

高效包裝

成本和容量

零排放的三個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素

在開關(guān)時(shí)，無論器件是 MOSFET、IGBT 還是 SiC，關(guān)鍵的推動(dòng)因素都將是技術(shù)創(chuàng)新，這將使開關(guān)的運(yùn)行效率更高，同時(shí)降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。高效封裝是另一個(gè)關(guān)鍵變量，因?yàn)闆]有真正理想的開關(guān)，總會(huì)有一些損耗必須以熱量的形式從半導(dǎo)體芯片中提取出來。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)施和云能源的指數(shù)級(jí)增長，這些技術(shù)的供應(yīng)鏈彈性是最關(guān)鍵的因素之一。

功率半導(dǎo)體技術(shù)

在半導(dǎo)體技術(shù)中，它們的使用通常是針對(duì)特定應(yīng)用的，最優(yōu)化的開關(guān)技術(shù)的選擇基于功率水平和開關(guān)頻率，以提供最高的系統(tǒng)級(jí)效率。所有這些技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新是提供 21 世紀(jì)高效和可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)的唯一途徑。

交換技術(shù)將是特定于應(yīng)用程序的。

Onsemi致力于硅 (Si) 技術(shù)、行業(yè)領(lǐng)先的 MOSFET 和 IGBT 技術(shù)，并大力投資以超越 SiC 的競(jìng)爭，為市場(chǎng)提供一流的開關(guān)技術(shù)。

SiC 是一種新型寬帶隙材料，與同等的基于 Si 的器件相比，它的性能顯著提高。這里的主要性能驅(qū)動(dòng)因素在于單元結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高的密度。這種更高的電池密度提高了效率，使電動(dòng)汽車能夠?yàn)橄嗤碾姵亟M提供更長的續(xù)航里程。

對(duì)于 IGBT，Si 晶片的晶片厚度和深場(chǎng)終止層對(duì)于提高效率和增加功率能力變得非常關(guān)鍵。對(duì)于 MOSFET，單元間距和單元密度是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

封裝創(chuàng)新是從設(shè)備中提取熱量和提高可靠性的重要考慮因素。根據(jù)應(yīng)用，可以使用分立設(shè)備或模塊。在 EV 等超高功率 (150–250 kW) 應(yīng)用中，牽引模塊可能是最佳選擇。

封裝創(chuàng)新的三個(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。

在材料方面，關(guān)鍵創(chuàng)新涉及銀和銅的燒結(jié)并最終嵌入，從而實(shí)現(xiàn)更長的生命周期和更高的功率密度。在牽引模塊中，封裝的熱阻是一個(gè)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。

除了開關(guān)和封裝方面的技術(shù)進(jìn)步外，onsemi 還提供了強(qiáng)大且具有高彈性的供應(yīng)鏈。盡管 Onsemi 擁有其 fab-lite 模式，但它是極少數(shù)在內(nèi)部處理自己的晶圓以提供強(qiáng)大供應(yīng)鏈的功率半導(dǎo)體公司之一。最近對(duì) GT Advanced Technologies的收購確保了 SiC 的高度垂直整合和彈性供應(yīng)鏈，這是實(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關(guān)系，供應(yīng)鏈的彈性得以增強(qiáng)。

概括

21世紀(jì)的下一代高效能源網(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)最有效地利用由電動(dòng)汽車、變頻電機(jī)和高效負(fù)載驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。然而，只有通過一流的 Si 和 SiC 開關(guān)技術(shù)、高效可靠的封裝以及彈性供應(yīng)鏈，才能實(shí)現(xiàn)凈零未來的這些關(guān)鍵推動(dòng)力。

審核編輯 黃昊宇