滿足 21世紀電氣化需求,實現淨零排放的未來

作者 : Asif Jakwani,onsemi先進電源部門資深副總裁兼總經理

隨著新興市場和邊境市場步入工業化階段,這種以化石燃料為主的集中式電力和輸送網路勢必得調整持續,以迎向未來的新一代能源網路...

在20世紀,主要透過燃燒煤炭等化石燃料在大型發電廠集中發電。然後,電力透過長距離輸電網路進行輸送,並透過當地配電網路供應給使用者。由於內燃引擎(ICE)的普及,傳輸網路出現了類似的能源基礎設施,以化石燃料為主要能源在不穩定的脆弱地區進行長距離運輸。

20 世紀能源網路

儘管這種能源和輸送基礎設施達到了它的目的,並讓當今大部份已開發國家實現了工業化,但它增加了溫室氣體排放,對全球環境造成巨大的不利影響,導致全球氣溫上升和極端氣候。隨著新興市場和邊境市場(frontier economies)步入工業化階段,這種以化石燃料為主的集中式電力和輸送網路勢必得調整持續,以迎向未來的新一代能源網路。

20世紀能源網路。

21 世紀能源網路

因應新興市場和邊境市場邁向工業化,並維持已開發國家生活水平,下一代能源基礎設施必須對全球環境極為有利。全球科學家已達成共識,必須將溫室氣體排放足跡減少到2000年的水準,將全球氣溫上升限制在1.5°C以下,才能擁有一個可持續發展的未來。為了實現符合未來需求的永續能源網路,21世紀的能源網路將以太陽能和風力等可再生能源為主,並結合能源儲存的能力。此外,能耗必須向電動車(EV)等高能效且零排放的方向邁進,以達到可行且可持續的能源網路。

21世紀能源網路。

21世紀的能源網路——無論是太陽能、風力和儲存能源等再生能源,還是EV和變頻馬達等高效負載,都需要仰賴功率半導體。對於太陽能、風力和儲存能源,主要採用絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和碳化矽(SiC),將間歇性可變能源轉換成永續的能源網路,成為零排放的再生能源。對於新興的EV和充電基礎設施,IGBT和SiC在可預見的未來都將成為運輸能源網路的主力,促進實現零排放運輸網路。對於工業、建築和工廠自動化,採用 IGBT 和MOSFET實現變頻無刷直流馬達(BLDC)來實現;人類與雲端和5G網路的連接也是如此。最新一代的MOSFET技術有助於高效率電源和不斷電系統(UPS),為全球人類網路提供無所不在的網路連接。功率半導體將成為 21 世紀能源網路的驅動力,以實現永續未來。

功率半導體的成長動力

為了實現未來的永續全球能源網路,全球所有主要經濟體和地區都在採取不同程度的法規和激勵措施,以實現去碳化並限制溫室氣體排放。在法規、激勵措施和可觀的投資報酬率共同驅動下,預計再生能源容量(GW)在未來十年將翻倍。由於太陽能光電板成本下降,太陽能將成為這一增長的主要驅動力。

輸送網路——化石能源的主要用戶,同時也是最大宗的碳排放者,鑒於政府法規以及汽車製造商推出更廣泛的產品組合搭載更長行駛里程的汽車問市,將加速EV的變革步伐。加速採用EV的另一個因素是化石燃料儲存量減少以及因而造成的開採成本增加。

隨著工業化進程加快,尤其是在新興市場和邊境市場中,馬達的使用不斷地增加。在已開發國家中,建築和工廠自動化將保持成長,以抵消更高(且持續上升)的人力成本。該領域的法規將要求使用更高效的馬達,這也將需要更高效的逆變器來驅動這些馬達,以免浪費能源。

全球大約有45%的電力消耗在馬達上,因此馬達效率提高將對降低能耗產生重大影響。其相關逆變器對於實現這些改進至關重要,預計在未來10年內,在交流(AC)和直流(DC)馬達應用中,這些設備的使用量將翻倍。雖然營運費用的降低會帶來有利影響,但這裡的主要驅動力預期將是更嚴格的能效法規。

功率半導體:零排放的關鍵推手

如前所述,功率半導體將成為21世紀再生能源和高效負載能源網路的關鍵驅動力。為了使功率半導體協助我們持續高效地利用能源並實現零排放,需要在三個關鍵領域取得進展:

  • 開關技術效能
  • 高效封裝
  • 成本和體積

零排放的三大關鍵驅動力。

無論是MOSFET、IGBT還是SiC元件,開關時的關鍵驅動力都將是技術創新,以此提高開關的運行效率,同時降低靜態和動態損耗。另一個關鍵變數是高效封裝,因為並沒有真正理想的開關,總會有一些必須以熱量形式從半導體晶片中釋放出的損耗。從商業角度來看,成本始終是一個重要因素,隨著EV、再生能源基礎設施和雲端電源的指數級成長,這些技術的供應鏈彈性將成為最關鍵的因素之一。

功率半導體技術

在半導體技術中,其使用方法通常特定於應用,最最佳化開關技術的選擇將依據功率級和開關頻率,以實現很高的系統級效率。要提供適合21世紀的高效可持續網路,唯一途徑是這些技術領域都持續創新。

開關技術將取決於應用;開關技術的創新是提高能效的關鍵。

SiC是一種新型寬能隙(WBG)材料,其性能明顯優於同等矽基元件。其主要EV得以使用相同的電池組提供更長的行駛里程。

對於 IGBT,矽晶圓的厚度和深場截止層對於提高效率和增加功率能力變得非常關鍵。對於MOSFET,關鍵驅動因素則是單元間距和單元密度。

為了從元件中散發熱量並提高其可靠性,封裝的創新是一個重要考量因素。根據應用,可以使用離散式元件或模組。在EV等高功率(150kW-250kW)的應用中,主驅動模組可能是理想選擇。

封裝創新有三個關鍵領域:互連、材料和模組。在互連領域,從焊料互連轉向燒結或燒結夾,可以降低接觸電阻,進而提高可靠性。

在材料領域,關鍵創新涉及銀和銅的燒結以及最終嵌入,這可以延長生命週期並提高功率密度。在主驅動模組中,封裝熱阻是一個關鍵參數。在此,使用雙面直冷可顯著改善熱阻,從而提高功率密度。

除了開關和封裝方面的技術進步外,安森美還提供可靠且高彈性的供應鏈。儘管採用Fab-lite (輕晶圓廠)模式,但能夠在內部加工其自家晶圓,以提供穩固的供應鏈。最近並收購GT Advanced Technologies,確保SiC的高度垂直整合和彈性供應鏈——SiC是實現未來可持續成長的關鍵技術之一。透過與晶圓廠和代工廠等協力廠商的長期合作夥伴,進一步增強了供應鏈的彈性。

21世紀的下一代高效能源網路將建立在具有儲能能力的再生能源之上,同時將非常有效地利用由EV、變頻馬達和高效負載驅動的網路。然而,只有借助出色的矽和 SiC 開關技術、高效可靠的封裝和彈性供應鏈,才能實現這些淨零排放未來的關鍵驅動力。

(參考原文:Addressing Electrification Needs for the 21st Century to Achieve a Net-Zero Future,by Asif Jakwani)

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