能量转换——功率半导体产业的需求挑战.docx

PAGE 1 PAGE 1 能量转换——功率半导体产业的需求挑战  文章介绍了可再生能源的发展状况，以及功率半导体行业相应的挑战，并提出了详细的解决方案。  1、前言  新的环境政策重点关注全球可再生能源的发展，特殊是风能和太阳能发电以及能源利用效率的提高。这两个目标对电力电子具有相当大的影响。电力电子原先的目的是效率掌握和电能转换，因此，功率半导体元件必需满意效率、使用寿命和结构紧凑性方面的新要求。制造商正努力开发新的组装和连接技术，供应更高的电流密度和牢靠的芯片温度，以及利用新的半导体材料以满意这些特别的需求。  在将来20年里，全球初级能源的需求将以每年平均约2％水平增长。到2030年需求将增加50％。目前，初级能源中三分之一特地用于发电。2004年，全球电能的平均消耗约为120亿kWh。其中40％是用于驱动—在大多数状况下驱动的是非受控电机。  图1德国可再生能源在初级能源消费中的比例  2、气候政策的再思索  如今，初级能源需求的大部分是通过燃烧，如石油、天然气和煤炭化石燃料来满意的，这极大地加速了全球的温室效应。近年来，对全球变暖不利影响熟悉的增加，产生了削减温室气体排放目标这一概念。新气候政策的一个基石是全球可再生能源发展和扩展以及能源效率的提高。  欧洲是现代能源和气候政策的先驱，德国是利用新能源技术方面一个最好的例证。鉴于到2020年，要实现削减14%的二氧化碳排放量（与2005年的排放量相比）的目标，到2020年可再生能源在初级能源消耗中的比例要增加到18％（2005年为6%）。对于德国总电力消费来说，这意味着到2020年可再生能源的份额将增加一倍，如图2所示。展望将来，到2050年计划可再生能源的份额达到70%。  今日，风力发电是再生能源中最大的细分市场。在德国，风能拥有45％的市场份额，其后分别是生物发电、水力发电和太阳能发电。  图2德国可再生能源在总能源消耗量中的比例  3、降低电力成本  与政治要求的实施和由净计量项目供应财政嘉奖平行的是，可再生发电的成本正逐步下降。以仍被认为是最昂贵的传统发电替代方案的太阳能发电为例。2008年9月，一个晶体太阳能电池组件的价格大约为3.5/Watt；如今，恰恰相反，可比模块的成本低了35％。这得益于过剩的生产能力，激烈的竞争，特殊是来自中国的制造商往批量生产的过渡，以及最终但并非最不重要的一点，即对硅原料市场的放松。到2010年底，价格有可能低到1/Watt。由于这些成本因素，采用太阳能发电产生一kWh的成本将进入传统发电方式的成本范围。  4、受益的功率半导体行业  功率半导体行业将在两方面受益于可再生能源市场即将到来的增长。首先，能量转换自身需要功率半导体，例如风力发电站中的逆变器。其次，半导体是变速驱动器的核心元件，而变速驱动器又是风能、太阳能和生物沼气能装机中不可缺少的。这种掌握驱动器用于如依据太阳移动路径调整太阳能电池板的太阳跟踪器或用于风力发电机中最佳叶片间距的调整。在生物沼气工厂，掌握驱动器负责生物材料的精确投入和混合。  由于其技术优势以及对用户友好的原因，模块主要被用作可再生发电应用中的电子开关。一个模块包括一块硅芯片、一块绝缘的陶瓷衬底以及一个供应必需功率连接的模块外壳。这些模块根据组装和连接技术以及集成的程度有不同的版本，比如包含集成驱动器、电流传感器和散热器。  (a)标准IGBT半桥模块；(b)智能功率模块（IPM）  图3不同功率模块的剖面图  如图3所示，这些功率模块包含半导体芯片、绝缘材料、带保护传感器的驱动器、电流传感器和散热器。  2008年，用于可再生能源应用的功率半导体模块的份额仅为模块市场的7.5％。也就是说，这个市场拥有25％的最快年平均增长率。到2012年，该市场估计将产生3.8亿美元的销售额。  风力发电和太阳能发电中，由于要保障经济的运行，因而供电牢靠性是首要任务。其次为高效率和系统的紧凑性。对于功率半导体制造商来说，这意味着特殊困难的挑战：如何满意这些在某些方面存在相互冲突的要求。此外，随着逆变器功率的增大，并联模块连接和热管理将变得越来越重要。以一台输出为3MW的风力发电机组为例：约45kW的热损耗发生在功率半导体中—该值相当于三户私人住宅对采暖系统功率的需求。  5、制造商面临的新挑战  (1)焊接连接  传统有基板焊接功率模块中，焊接连接往往是模块上的机械薄弱点。由于材料的热膨胀系数不同、高温波动和运行过程中的过度负载循环将导致焊料层疲惫。这表现为热阻增加，从而导致更高的温度。这种反馈机制最终将导致器件失效