在 20 世紀，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)絡傳輸，并通過本地配電網(wǎng)絡供應給用戶。由于內(nèi)燃機的普及，交通網(wǎng)絡出現(xiàn)了類似的能源基礎設施，化石燃料是在不穩(wěn)定和脆弱的地區(qū)長距離運輸?shù)闹饕茉础?/p>

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

21世紀的能源網(wǎng)絡

用于實現(xiàn)新興和前沿經(jīng)濟體工業(yè)化以及維持發(fā)達經(jīng)濟體生活水平的下一代能源基礎設施必須對全球環(huán)境極為有利。全球科學家一致認為，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。為實現(xiàn)未來的可持續(xù)能源網(wǎng)絡，Onsemi 認為 21 世紀的能源網(wǎng)絡將主要以太陽能和風能等可再生能源為基礎，并結合儲能能力，能源消耗必須向高效、電動汽車 (EV) 等零排放負載，以實現(xiàn)可行和可持續(xù)的能源網(wǎng)絡。

21 世紀的能源網(wǎng)絡——無論是太陽能、風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——都將由功率半導體實現(xiàn)。在太陽能、風能和儲能的情況下，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換為一致、可持續(xù)的能源網(wǎng)絡，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設施，在可預見的未來，IGBT 和 SiC 都將成為交通能源網(wǎng)絡的主力軍，實現(xiàn)零排放交通網(wǎng)絡。對于工業(yè)、樓宇和工廠自動化，逆變器和無刷直流電機由 IGBT 和金屬氧化物場效應晶體管 (MOSFET) 實現(xiàn)；人類與云和 5G 網(wǎng)絡的連接也是如此。最新一代的 MOSFET 技術正在實現(xiàn)高效電源和不間斷電源，從而為全球人類網(wǎng)絡提供無處不在的連接。

功率半導體增長動力

為實現(xiàn)未來可持續(xù)的全球能源網(wǎng)絡，世界所有主要經(jīng)濟體和地區(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)和激勵措施。在法規(guī)、激勵措施和有吸引力的投資回報的共同推動下，我們預計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動力。

在交通網(wǎng)絡、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)品組合和遠程汽車推向市場，電動汽車的變革步伐將加快。加速采用電動汽車的另一個因素是化石燃料儲量的減少以及由此產(chǎn)生的更高的開采成本。

隨著工業(yè)化進程的加快，尤其是在新興和前沿經(jīng)濟體中，電機的使用正在增加。在發(fā)達國家，建筑和工廠自動化將增長以抵消更高（和不斷上升）的勞動力成本。該領域的法規(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動它們而不浪費能源。

世界上大約 45% 的電力消耗在電機上，因此這里的效率提高將對降低能源消耗產(chǎn)生重大影響。相關的逆變器對于實現(xiàn)這些改進至關重要，我們預計這些設備在未來 10 年內(nèi)在交流和直流電機應用中的使用量將翻一番。雖然減少運營費用將是有益的，但預計這里的主要驅動力將是更嚴格的效率立法。

功率半導體：零排放的關鍵推動力

如前所述，功率半導體將成為 21 世紀可再生能源和高效負載能源網(wǎng)絡的關鍵推動者。為了使功率半導體能夠讓我們持續(xù)有效地利用能源并實現(xiàn)零排放，它們需要在三個關鍵領域取得進展：

開關技術性能

高效包裝

成本和容量

零排放的三個關鍵推動因素

在開關時，無論器件是 MOSFET、IGBT 還是 SiC，關鍵的推動因素都將是技術創(chuàng)新，這將使開關的運行效率更高，同時降低靜態(tài)和動態(tài)損耗。高效封裝是另一個關鍵變量，因為沒有真正理想的開關，總會有一些損耗必須以熱量的形式從半導體芯片中提取出來。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、可再生能源基礎設施和云能源的指數(shù)級增長，這些技術的供應鏈彈性是最關鍵的因素之一。

功率半導體技術

在半導體技術中，它們的使用通常是針對特定應用的，最優(yōu)化的開關技術的選擇基于功率水平和開關頻率，以提供最高的系統(tǒng)級效率。所有這些技術的持續(xù)創(chuàng)新是提供 21 世紀高效和可持續(xù)網(wǎng)絡的唯一途徑。

交換技術將是特定于應用程序的。

Onsemi致力于硅 (Si) 技術、行業(yè)領先的 MOSFET 和 IGBT 技術，并大力投資以超越 SiC 的競爭，為市場提供一流的開關技術。

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。這里的主要性能驅動因素在于單元結構，從而實現(xiàn)更高的密度。這種更高的電池密度提高了效率，使電動汽車能夠為相同的電池組提供更長的續(xù)航里程。

對于 IGBT，Si 晶片的晶片厚度和深場終止層對于提高效率和增加功率能力變得非常關鍵。對于 MOSFET，單元間距和單元密度是關鍵驅動因素。

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

封裝創(chuàng)新的三個關鍵領域：互連、材料和模塊。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。

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

除了開關和封裝方面的技術進步外，onsemi 還提供了強大且具有高彈性的供應鏈。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大供應鏈的功率半導體公司之一。最近對 GT Advanced Technologies的收購確保了 SiC 的高度垂直整合和彈性供應鏈，這是實現(xiàn)未來可持續(xù)增長的關鍵技術之一。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系，供應鏈的彈性得以增強。

概括

21世紀的下一代高效能源網(wǎng)絡將建立在具有存儲能力的可再生能源之上，同時最有效地利用由電動汽車、變頻電機和高效負載驅動的網(wǎng)絡。然而，只有通過一流的 Si 和 SiC 開關技術、高效可靠的封裝以及彈性供應鏈，才能實現(xiàn)凈零未來的這些關鍵推動力。

審核編輯 黃昊宇