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功率技術/新能源  

前方道路通往何處?——高功率半導體的未來

上網時間: 2015年08月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:高功率半導體  電力電子  功率模組  IGBT  再生能源 

作者:Hubert Kerstin、Bjorn Rentemeister、Thomas Risse,英飛凌科技

電力電子系統技術之所以快速發展,功率模組乃是公認的主要推動力,尤其在節約能源、功率控制動態範圍、減少雜訊、減輕重量和縮減體積方面,表現更是出色。功率半導體主要用來控制發電與耗電之間的能量流,其過程需要的是無比的精確與極低損耗。

為了因應工業應用,持續推動電力電子技術精益求精的力量有5個面向:能源效率、作業溫度、微型化、可靠程度與成本精簡,而這5個面向在某種程度下會相互影響。這些趨勢在過去30年來不斷地驅策著功率半導體的發展,未來也勢必扮演重要的推手。


圖1:過去30年的功率密度發展,未來仍潛力無限

採用創新的組裝與互連技術後,功率密度從當初的30kW/cm2提升到現今的110kW/cm2。一般認為,隨著新的技術發展,半導體產業將使用IGBT模組大幅提高功率,而功率提高就必須打造新的模組外殼。此外,轉換器的相關技術也一直在進步,就是因為晶片技術與模組外殼設計有所發展。技術變革帶來了各電壓等級零件通用等新概念,半導體製造商需要採取創新解決方案,以符合現代節能電力電子裝置的未來要求。

高功率IGBT模組適用多種應用,例如電動車(EV)/混合動力車(HEV)、工業驅動裝置、運輸和風力發電機,這些應用講求精巧設計、能源效率與可靠性。因此可以預見,在一個需求更高的環境中,新的應用對於轉換器與模組技術的耐久性和彈性的要求,將完全不同、甚至更加嚴苛。以上局面也導向了值得思考的問題,也就是未來如何形塑解決方案才能滿足不同的需求。


圖 2:英飛凌憑創新模組為全球產業設下標竿

驅動裝置

除了利用再生能源發電以外,石化燃料發電仍佔能源供應中最大部分。根據估計,全球人口在2005至2030年之間將增加17億至82億,來勢洶洶的都市化浪潮更加速了人口成長。由於人口增加了,就更加需要投注鉅額資金,開採並配送石油與天然氣等能源來源,而且還要有新的生產技術,才能善用新資源。因此,開發新資源所需的高效率幫浦驅動裝置,其核心正是IGBT模組。就工業驅動裝置而言,變速驅動裝置已逐漸取代未調速驅動裝置,以增加能源效率。

在鋼鐵工業、石油與天然氣產業或採礦企業等工業應用中,轉換器的作業條件通常極其嚴酷。炙熱的鋼鐵、危險的環境、多變的操作模式以及周期性的過載,都意味著高電應力和高機械應力,因此相對需要格外穩定的結構。輥軋機驅動裝置的功率,從100KW左右至數十MW,適用新興發展的中低電壓應用,以及現代化、改良現有廠房的中低電壓應用。堅固耐久、穩定可靠的電力電子概念,是滿足這些需求的必要條件。

(下一頁繼續:牽引機與風力能源)


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