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高功率半导体的未来 前方道路通往何处?

发布时间:2015-08-12
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高功率半导体的未来 前方道路通往何处?

发布时间:2015-08-12
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电力电子系统技术之所以快速发展,功率模组乃是公认的主要推动力,尤其在节约能源、功率控制动态范围、减少杂讯、减轻重量和缩减体积方面,表现更是出色。功率半导体主要用来控制发电与耗电之间的能量流,其过程需要的是无比的精确与极低损耗。

为了因应工业应用,持续推动电力电子技术精益求精的力量有5个面向:能源效率、作业温度、微型化、可靠程度与成本精简,而这5个面向在某种程度下会相互影响。这些趋势在过去30年来不断地驱策着功率半导体的发展,未来也势必扮演重要的推手。

图1:过去30年的功率密度发展,未来仍潜力无限

采用创新的组装与互连技术后,功率密度从当初的30kW/cm2提升到现今的110kW/cm2。一般认为,随着新的技术发展,半导体产业将使用IGBT模组大幅提高功率,而功率提高就必须打造新的模组外壳。此外,转换器的相关技术也一直在进步,就是因为晶片技术与模组外壳设计有所发展。技术变革带来了各电压等级零件通用等新概念,半导体制造商需要采取创新解决方案,以符合现代节能电力电子装置的未来要求。

高功率IGBT模组适用多种应用,例如电动车(EV)/混合动力车(HEV)、工业驱动装置、运输和风力发电机,这些应用讲求精巧设计、能源效率与可靠性。因此可以预见,在一个需求更高的环境中,新的应用对于转换器与模组技术的耐久性和弹性的要求,将完全不同、甚至更加严苛。以上局面也导向了值得思考的问题,也就是未来如何形塑解决方案才能满足不同的需求。

图 2:英飞凌凭创新模组为全球产业设下标竿

驱动装置

除了利用再生能源发电以外,石化燃料发电仍占能源供应中最大部分。根据估计,全球人口在2005至2030年之间将增加17亿至82亿,来势汹汹的都市化浪潮更加速了人口成长。由于人口增加了,就更加需要投注钜额资金,开采并配送石油与天然气等能源来源,而且还要有新的生产技术,才能善用新资源。因此,开发新资源所需的高效率帮浦驱动装置,其核心正是IGBT模组。就工业驱动装置而言,变速驱动装置已逐渐取代未调速驱动装置,以增加能源效率。

在钢铁工业、石油与天然气产业或采矿企业等工业应用中,转换器的作业条件通常极其严酷。炙热的钢铁、危险的环境、多变的操作模式以及周期性的过载,都意味着高电应力和高机械应力,因此相对需要格外稳定的结构。辊轧机驱动装置的功率,从100KW左右至数十MW,适用新兴发展的中低电压应用,以及现代化、改良现有厂房的中低电压应用。坚固耐久、稳定可靠的电力电子概念,是满足这些需求的必要条件。

牵引机

牵引机市场高度仰赖公共建设工程专案,这类专案系由各个国家、城市和地方政府执行。全球的铁路运输也正在经历一场巨大变革。世界各地有多家新兴运输公司正在进行大规模并购,因为这是管理预期交通流量的唯一方法。新的铁路建设与扩张专案不断增加。很多城市都在建设以铁路为主的本地运输系统,有些城市甚至是首次进行铁路建设。有些新兴经济体在货运与高速载客服务领域都展现了极高的经济成长率,因此雄心高昂,推动多项全新的铁路建设工程。

推动全球牵引机市场的两大发展如下:都市化以及日益扩张的机动力。即使个别工程已提早数年进行规划与筹措资金,仍需运用最新技术,这样才能满足节省成本与时间的相关需求。铁道运输元件与驱动装置转换器类似,精巧设计与缩减重量都是其中关键因素。

风力能源

再生能源的发电量比例稳定成长,对功率半导体的需求也随之增长。岸上风力发电机是目前最经济的再生能源来源之一。复杂的变频系统能连结电网,提供发电电力,因此成为发电厂的重要元件。现代离岸风力发电机的输出电力最高可达7MW。发电机的功率越来越高,而且风力发电应用有空间限制,因此需要小巧且功能强大的转换器概念。考量相关工程的成本效益之际,低廉的维护成本和生命周期扮演了非常重要的角色。由于设计效率必须面面俱到,因此将以转换器为基础的平台方案列入考量。

电力电子解决方案必须十分坚固耐用,才能满足各项应用的基本要求,例如上述的风力发电、牵引机械的驱动系统、中电压工业驱动装置或高压直流输电系统。利用高压直流输电技术,即能以极具成本效益的方式长距离传输电力。从这方面看,离岸风力发电厂与岸上供电网的连结,就很有实现的潜力。

图3:新的模组标准必须考量应用的多样性与不同需求

解决之道

IGBT技术面临越来越多新的挑战,主要原因是各项应用的需求不断增加。近几年功率半导体发展顺利,显然是因为获得了晶片技术的基础。发展的重点是,研发最新一代的晶片,而未改变原有封装技术。全新的IGBT晶片大多已与现有的封装整合,这个方法总有一天达到极限。系统需求不断增长,新一代的晶片也进入生产,必须随之研发具有相应能力的新封装。能因应这些挑战所的需要,便是我们的‘解答’。

一如往常,英飞凌在此提供了适时的‘解答’:适用于高功率IGBT的新模组标准。这个全新标准的高功率平台在PCIM 2014中首度亮相,可望成为日后挑战的‘解决之道’。名为‘The Answer’的新模组平台,其细部性能满足了各式各样应用与应用情境的需求,例如高功率密度、效率、长生命周期与耐用度。英飞凌为高功率IGBT模组设下了全新外壳标准,适用1200V至6.5kV等多个电压等级。新标准外壳的扩充能力,大幅度简化了系统设计。而且,坚固的架构提供长时间的稳定性,即使曝露在环境条件最严苛的应用当中,也丝毫不受影响。

图4:‘The Answer’定义全新的工业标准——适用 1200V 到最高 6.5kV 等多个电压等级,其中包含 400A/4.5kV和 275A/6.5kV两种规格,其尺寸为 100mm x 140mm x 40mm

现代的转换器概念,在设计和建构过程中讲求高能源效率和弹性。以新的可扩充高功率平台为基础,转换器的尺寸大小就能根据传动装置上的电力需求实施最佳调整。其封装可由先前研发的转换器轻松扩展,增加更多模组就能因应。相容于今日常见电压等级的未来封装技术一旦上市,凭藉其转换器可扩充的原始设计,即能于不同的电压等级进行交换。

新平台的弹性概念确保相似的零件能以并联方式连接,因此得以使用简化结构连结DC连结端子与电容器。此外,AC端子能并联连接于一个汇流排上,此举缩短了开发时间,并降低系统成本。新平台使用最新技术,不仅降低系统成本,其设计又符合未来需求,有效缩短了上市时间,提高竞争力。

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