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满足 21世纪电气化需求,实现净零排放的未来

2022-04-27 14:41:02 Asif Jakwani 阅读:
随着新兴市场和前沿的经济体步入工业化阶段,这种以化石燃料为主的集中式电力和运输网络是不可持续的,需要未来下一代的能源网络...

随着新兴市场和前沿的经济体步入工业化阶段,这种以化石燃料为主的集中式电力和运输网络是不可持续的,需要未来下一代的能源网络...EMhednc

在20世纪,主要透过燃烧煤炭等化石燃料在大型发电厂集中发电。然后,电力透过长距离传输网络进行输送,并透过本地配电网络供应给用户。由于内燃机(ICE)的普及,传输网络出现了类似的能源基础设施,以化石燃料为主要能源在不稳定的脆弱地区进行长距离运输。EMhednc

20 世纪能源网络

尽管这种能源和输送基础设施达到了它的目的,并让当今大部份发达国家实现了工业化,但它增加了温室气体排放,对全球环境造成了严重的影响,导致全球气温上升和极端气候。随着新兴市场和前沿经济体(frontier economies)步入工业化阶段,这种以化石燃料为主的集中式电力和运输网络是不可持续的,需要未来下一代的能源网络...EMhednc

20世纪能源网络。EMhednc

21 世纪能源网络

用于新兴市场和前沿经济体迈向工业化并维持发达经济体生活水平的下一代能源基础设施必须对全球环境极为有利。全球科学家已达成共识,必须将温室气体排放足迹减少到2000年那个时候时候的水平,将全球气温上升限制在1.5°C以下,才能拥有一个可持续发展的未来。为了实现符合未来需求的持续能源网络,21世纪的能源网络将以太阳能和风力等可再生能源为主,并结合能源储能能力。此外,能耗必须向电动车(EV)等高能效且零排放的方向迈进,以达到可行且可持续的能源网络。EMhednc

21世纪能源网络。EMhednc

21世纪的能源网络——无论是太阳能、风力和储能能源等再生能源,还是EV和变频马达等高效负载,都需要仰赖功率半导体。对于太阳能、风力和储存能源,主要采用绝缘闸双极晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC),将可变间歇性能源转换成可持续的能源网络,提供零排放的再生能源。对于新兴的EV和充电基础设施,IGBT和SiC在可预见的未来都将成为运输能源网络的主力,促进实现零排放运输网络。对于工业、建筑和工厂自动化,采用 IGBT 和MOSFET实现变频无刷直流马达(BLDC)来实现;人类与云端和5G网络的连接也是如此。最新一代的MOSFET技术有助于高效电源和不断电系统(UPS:uninterruptible power supplies),为全球人类网络提供无所不在的网络连接。功率半导体将成为 21 世纪能源网络的驱动力,带来可持续的未来。EMhednc

功率半导体的成长动力

为了实现未来可持续的全球能源网络,全球所有主要经济体和地区都在采取不同程度的法规和激励措施,以实现网络低碳化和限制温室气体排放。在法规、激励措施和有吸引力的投资回报率的共同推动下,我们预计可再生能源在未来十年翻倍。由于太阳能光电板成本下降,太阳能将成为这一增长的主要驱动力。EMhednc

运输网络——化石能源的主要用户,同时也是最大的碳排放者,由于政府法规和汽车制造商推出更广泛的产品组合以及远程汽车的问市,将加速EV(电动汽车)的变革步伐。加速采用EV的另一个因素是化石燃料储存量减少因而造成更高的开采成本。EMhednc

随着工业化进程加快,特别是在新兴市场和前沿经济体中,发动机的使用不断地增加。在发达国家中,建筑和工厂自动化将保持成长,以抵消更高(且持续上升)的劳动力成本。该领域的法规将要求使用更高效的发动机,这也将需要更高效的逆变器(直流、交流转化器)来驱动这些发动机,以免浪费能源。EMhednc

全球大约有45%的电力消耗在发动机上,因此发动机效率提高将对降低能耗有重大影响。其相关逆变器对于实现这些改进至关重要,预计在未来10年内,在交流(AC)和直流(DC) 发动机应用中,这些设备的使用量将翻倍。虽然业务开支的降低会带来有利影响,但这里的主要驱动力预期将是更严格的能效法规。EMhednc

功率半导体:零排放的关键推动力

如前所述,功率半导体将成为21世纪可再生能源和高效负载能源网络的关键推动力。为了使功率半导体协助我们持续高效地利用能源并实现零排放,需要在三个关键领域取得进展:EMhednc

开关技术效能EMhednc

高效封装EMhednc

成本和体积EMhednc

零排放的三大关键驱动力。EMhednc

当操作开关时:无论是MOSFET、IGBT还是SiC元器件,开关时的关键驱动力都将是技术创新,以此提高开关的操作和运行效率,同时降低静态和动态损耗。另一个关键变量是高效封装,因为没有真正理想的开关,总会有一些必须以热量形式从半导体芯片中释放出的损耗。从商业角度来看,成本始终是一个重要因素,随着EV、再生能源基础设施和云能源的指数级成长,这些技术的供应链可持续再生和还原能力将成为最关键的因素之一。EMhednc

功率半导体技术

在半导体技术中,他们的使用通常是特定应用级别的,最优化开关技术的选择将依据功率级和开关频率,以驱动很高的系统级效率。要提供适合21世纪的高效可持续网络,唯一途径是在这些技术领域都有持续创新。EMhednc

EMhednc

图开关术将用;开关技术的创新是提高能效的关键。EMhednc

Onsemi(安森美)致力于硅(Si)技术,有行业领先的MOSFET 和 IGBT 技术,并大力投资已超越SiC(碳化硅)的竞争,为市场提供一流的开关技术。EMhednc

SiC是一种新型宽带隙材料(WBG:『一般在室温下带隙大于2.0eV的材料』),其性能明显优于同等硅基元器件。其主要EV得以使用相同的电池组提供更长的行驶里程。EMhednc

对于 IGBT,Si芯片的厚度和深场截止层对于提高效率和增加功率能力变得非常关键。对于MOSFET,关键驱动因素则是单元间距和单元密度。EMhednc

为了从元器件中散发热量并提高其可靠性,封装的创新是一个重要考虑因素。根据应用,或许可以使用离散式组件或模块。在EV等高功率(150kW-250kW)的应用中,牵引模块可能是最理想选择。EMhednc

封装创新有三个关键领域:互连、材料和模块。在互连领域,从焊料互连转向烧结或烧结夹,可以降低接触电阻,进而提高可靠性。EMhednc

在材料方面,关键创新涉及银和铜的烧结以及最终嵌入,这可以延长生命周期并提高功率密度。在牵引模块中,封装热阻是一个关键参数。在此,使用双面直冷可显著提高热阻,从而提高功率密度。EMhednc

除了开关和封装方面的技术进步外,安森美还提供可靠且具有高弹性的供应链。尽管安森美采用Fab-lite (轻晶圆厂)模式,但能够在内部加工其自家晶圆,以提供稳固的供应链。最近并收购GT Advanced Technologies,确保SiC的高度垂直整合和弹性供应链——SiC是实现未来可持续成长的关键技术之一。透过与晶圆厂和代工厂等第三方的长期合作伙伴,进一步增强了供应链的弹性。EMhednc

21世纪的下一代高效能源网络将建立在具有储能能力的可再生能源之上,同时将非常有效地利用由EV、变频马达和高效负载驱动的网络。然而,只有借助出色的硅和 SiC 开关技术、高效可靠的封装和弹性供应链,才能实现这些净零排放未来的关键驱动力。EMhednc

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

责编:Bowentan
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