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半导体技术在能源转型中的关键作用

2024-02-05 09:00:00 Sonu Daryanani 阅读:
在本文中,我们将对业内知名专家围绕“半导体技术在能源转型中的作用”这一主题展开的圆桌讨论进行总结。

电力的生产、分配和使用正在经历几十年来从未有过的变革。随着全球适应气候变化和地缘政治的不确定性,创新技术正在推动整个能源生态系统发生巨大变化。8pVednc

日前,在由AspenCore主办的PowerUP虚拟展会上,业内知名专家就半导体技术在能源转型中的作用展开了圆桌讨论。AspenCore驻意大利编辑Maurizio Di Paolo Emilio主持了该圆桌讨论。参与嘉宾包括Wolfspeed公司首席技术官Elif Balkas、英特尔公司全球能源总经理Michael Bates、德州仪器公司(TI)高压副总裁兼总经理Kannan Soundarapandian和SHINE Technologies公司首席技术官Ross Radel。8pVednc

半导体在能源转型中的作用

Wolfspeed是制造碳化硅(SiC)衬底和大功率SiC半导体器件的领先企业。SiC在电源转换方面的诸多优势已广为人知。其中包括这种宽禁带(WBG)材料的固有优势,与基于硅(Si)的器件相比,它能更有效地扩展至更大功率。与Si IGBT相比,SiC的热阻较低,因此可以在极端高温和潮湿的环境中使用。降低电源转换过程中的损耗可使太阳能逆变器和最大功率点跟踪(MPPT)升压系统的效率提高最多3%,同时还可减少相关的冷却系统。由于系统体积更小、重量更轻、更易于运输、安装和维护,整体系统成本最多可降低30%。图1展示了Wolfspeed SiC产品的各种应用,包括可使用微型逆变器的住宅应用、需要三相逆变器系统的工业应用,以及利用SiC低转换损耗优势的储能系统。各种电压和功率的分立器件和电源模块产品可满足这些不同的要求。8pVednc

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图1:SiC在多种电源转换应用中的使用示例。(来源:Balkas)8pVednc

Balkas表示,扩大SiC衬底和器件制造规模以满足未来需求是一个关键目标。采用先进设备的制造工艺的复杂性以及供应链瓶颈可能是关键的制约因素。制造过程中的环境问题,包括生产这些器件所需的气体/化学品/能源,都需要加以考虑和优化。挑战在于以最佳方式管理增长和投资,并在正确的时间内生产正确的产品组合。Wolfspeed与其衬底供应和工厂进行了垂直整合,这为应对这些挑战创造了许多优势。该公司正在转型生产更大的200mm SiC晶圆,并正在建造使用这些晶圆的工厂。与硅一样,这有望提高工厂效率并降低裸片成本。衬底和裸片制造方面的持续创新对于进一步降低裸片成本至关重要。8pVednc

Soundarapandian表示,电动汽车(EV)、储能和配电是WBG半导体发挥重要作用的领域。电源转换应用中的一个常见因素是功率密度增加的趋势。由于电动汽车和热泵等化石燃料能源的转变,电力需求不断增加。SiC和氮化镓(GaN)等宽禁带材料可提高配电和用电的效率,这对于环境可持续发展的未来是必不可少的。扩大这些半导体的制造规模对于降低成本至关重要。德州仪器正在生产GaN功率器件。GaN具有高效率和高频开关的特性,因此可以使用更简单的转换器拓扑结构和更小的磁性元件,从而在成本和尺寸方面创造系统级优势。预计GaN器件将在电动汽车、太阳能转换、电源适配器以及家用和工业电源等众多应用中发挥越来越重要的作用。8pVednc

用于分散的智能电网

能源和发电行业是目前最大的温室气体排放源。预计未来几年,可再生能源发电量将超过化石燃料发电量。其中很大一部分可以去中心化,由微电网和电动汽车为家庭供电。电池和其他长期储能设备使可再生能源发电的可变性更加稳定。未来电网的一些特征包括:8pVednc

  • 使用基于WBG半导体的模块化、可扩展固态电站(SSPS)进行高效的电力转换;
  • 双向电力流允许与分布式可再生能源发电和储能系统集成;
  • 使用固态变压器(SST),开关频率更高,从而减少尺寸和重量;
  • 在SSPS路线图中增加功率密度,提高额定电压和功率,并集成安全通信;
  • 与高压直流(HVDC)输电系统和并网转换器集成;
  • 变电站采用先进算法和服务器级计算实现实时自主负载平衡;
  • 高水平的网络安全;
  • 能够抵御气候变化造成的恶劣天气条件。

传统电网是集中式和单向的。可再生能源会给输电系统带来巨大的电力注入波动。此外,电动汽车快速充电等负载也会导致耗电量的大幅波动。因此,未来的电网必须具有先进的负载平衡计算能力。此外,这种计算需求是在电网边缘产生的,因为那里存在分散的分布式电源。英特尔在硬件和软件计算技术方面拥有丰富的经验,在构建可用于未来能源网关键负载平衡功能的系统方面处于领先地位。图2描述了现代电网的变化。8pVednc

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图2(a):传统的集中式电网。(来源:Bates)8pVednc

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图2(b):现代智能电网。(来源:Bates)8pVednc

核能在整可再生能源组合中的作用

核裂变目前提供了约25%的低碳电力。大型核电站可提供高基荷(大于300MW)和长正常运行时间。新开发的小型反应堆(20MW及以上)可作为这些大型反应堆的补充,为电网提供稳定性。与此同时,太阳能和风能也可以大量增加,以满足总需求。这种潜在的未来能源系统如图3所示。8pVednc

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图3:潜在的未来能源系统。(来源:Radel)8pVednc

SHINE Technology致力于推进核聚变技术作为长期能源的使用。核聚变有望成为生产大量清洁能源的方法。许多政府实验室、大学和私营公司都在积极研究如何在经济上和实践上实现这一目标。SHINE正在采取分阶段的方法,利用中子射线照相术进行工业部件检查、生产医用同位素和回收核废料,同时努力长期产生核聚变能源。8pVednc

总结

要实现净零排放的目标,就必须改变能源的生产、分配和使用。实施这些变革迫在眉睫。WBG半导体可实现更高效的电源转换,但要广泛使用这类半导体,就必须扩大生产规模并降低成本。更智能、更灵活、更分布式的电网是满足未来电力需求增长的关键要求。扩大光伏和风力发电在短期内至关重要,但从长远来看,聚变核能有可能提供大量清洁能源。8pVednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:The Role of Technology in the Energy Transition,由Franklin Zhao编译。)8pVednc

本文为《电子技术设计》2024年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里8pVednc

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