高功率半導(dǎo)體的未來 前方道路通往何處？

　　電力電子系統(tǒng)技術(shù)之所以快速發(fā)展，功率模組乃是公認(rèn)的主要推動力，尤其在節(jié)約能源、功率控制動態(tài)范圍、減少雜訊、減輕重量和縮減體積方面，表現(xiàn)更是出色。功率半導(dǎo)體主要用來控制發(fā)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(yīng)工業(yè)應(yīng)用，持續(xù)推動電力電子技術(shù)精益求精的力量有5個(gè)面向：能源效率、作業(yè)溫度、微型化、可靠程度與成本精簡，而這5個(gè)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(qū)策著功率半導(dǎo)體的發(fā)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(fā)展，未來仍潛力無限

　　采用創(chuàng)新的組裝與互連技術(shù)后，功率密度從當(dāng)初的30kW/cm2提升到現(xiàn)今的110kW/cm2。一般認(rèn)為，隨著新的技術(shù)發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)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(zhuǎn)換器的相關(guān)技術(shù)也一直在進(jìn)步，就是因?yàn)榫夹g(shù)與模組外殼設(shè)計(jì)有所發(fā)展。技術(shù)變革帶來了各電壓等級零件通用等新概念，半導(dǎo)體制造商需要采取創(chuàng)新解決方案，以符合現(xiàn)代節(jié)能電力電子裝置的未來要求。

　　高功率IGBT模組適用多種應(yīng)用，例如電動車(EV)/混合動力車(HEV)、工業(yè)驅(qū)動裝置、運(yùn)輸和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這些應(yīng)用講求精巧設(shè)計(jì)、能源效率與可靠性。因此可以預(yù)見，在一個(gè)需求更高的環(huán)境中，新的應(yīng)用對于轉(zhuǎn)換器與模組技術(shù)的耐久性和彈性的要求，將完全不同、甚至更加嚴(yán)苛。以上局面也導(dǎo)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(chuàng)新模組為全球產(chǎn)業(yè)設(shè)下標(biāo)竿

　　驅(qū)動裝置

　　除了利用再生能源發(fā)電以外，石化燃料發(fā)電仍占能源供應(yīng)中最大部分。根據(jù)估計(jì)，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。由于人口增加了，就更加需要投注鉅額資金，開采并配送石油與天然氣等能源來源，而且還要有新的生產(chǎn)技術(shù)，才能善用新資源。因此，開發(fā)新資源所需的高效率幫浦驅(qū)動裝置，其核心正是IGBT模組。就工業(yè)驅(qū)動裝置而言，變速驅(qū)動裝置已逐漸取代未調(diào)速驅(qū)動裝置，以增加能源效率。

　　在鋼鐵工業(yè)、石油與天然氣產(chǎn)業(yè)或采礦企業(yè)等工業(yè)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器的作業(yè)條件通常極其嚴(yán)酷。炙熱的鋼鐵、危險(xiǎn)的環(huán)境、多變的操作模式以及周期性的過載，都意味著高電應(yīng)力和高機(jī)械應(yīng)力，因此相對需要格外穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。輥軋機(jī)驅(qū)動裝置的功率，從100KW左右至數(shù)十MW，適用新興發(fā)展的中低電壓應(yīng)用，以及現(xiàn)代化、改良現(xiàn)有廠房的中低電壓應(yīng)用。堅(jiān)固耐久、穩(wěn)定可靠的電力電子概念，是滿足這些需求的必要條件。

　　牽引機(jī)

　　牽引機(jī)市場高度仰賴公共建設(shè)工程專案，這類專案系由各個(gè)國家、城市和地方政府執(zhí)行。全球的鐵路運(yùn)輸也正在經(jīng)歷一場巨大變革。世界各地有多家新興運(yùn)輸公司正在進(jìn)行大規(guī)模并購，因?yàn)檫@是管理預(yù)期交通流量的唯一方法。新的鐵路建設(shè)與擴(kuò)張專案不斷增加。很多城市都在建設(shè)以鐵路為主的本地運(yùn)輸系統(tǒng)，有些城市甚至是首次進(jìn)行鐵路建設(shè)。有些新興經(jīng)濟(jì)體在貨運(yùn)與高速載客服務(wù)領(lǐng)域都展現(xiàn)了極高的經(jīng)濟(jì)成長率，因此雄心高昂，推動多項(xiàng)全新的鐵路建設(shè)工程。

　　推動全球牽引機(jī)市場的兩大發(fā)展如下：都市化以及日益擴(kuò)張的機(jī)動力。即使個(gè)別工程已提早數(shù)年進(jìn)行規(guī)劃與籌措資金，仍需運(yùn)用最新技術(shù)，這樣才能滿足節(jié)省成本與時(shí)間的相關(guān)需求。鐵道運(yùn)輸元件與驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)換器類似，精巧設(shè)計(jì)與縮減重量都是其中關(guān)鍵因素。

　　風(fēng)力能源

　　再生能源的發(fā)電量比例穩(wěn)定成長，對功率半導(dǎo)體的需求也隨之增長。岸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前最經(jīng)濟(jì)的再生能源來源之一。復(fù)雜的變頻系統(tǒng)能連結(jié)電網(wǎng)，提供發(fā)電電力，因此成為發(fā)電廠的重要元件?，F(xiàn)代離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電力最高可達(dá)7MW。發(fā)電機(jī)的功率越來越高，而且風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用有空間限制，因此需要小巧且功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換器概念。考量相關(guān)工程的成本效益之際，低廉的維護(hù)成本和生命周期扮演了非常重要的角色。由于設(shè)計(jì)效率必須面面俱到，因此將以轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的平臺方案列入考量。

　　電力電子解決方案必須十分堅(jiān)固耐用，才能滿足各項(xiàng)應(yīng)用的基本要求，例如上述的風(fēng)力發(fā)電、牽引機(jī)械的驅(qū)動系統(tǒng)、中電壓工業(yè)驅(qū)動裝置或高壓直流輸電系統(tǒng)。利用高壓直流輸電技術(shù)，即能以極具成本效益的方式長距離傳輸電力。從這方面看，離岸風(fēng)力發(fā)電廠與岸上供電網(wǎng)的連結(jié)，就很有實(shí)現(xiàn)的潛力。

　　圖3：新的模組標(biāo)準(zhǔn)必須考量應(yīng)用的多樣性與不同需求

　　解決之道

　　IGBT技術(shù)面臨越來越多新的挑戰(zhàn)，主要原因是各項(xiàng)應(yīng)用的需求不斷增加。近幾年功率半導(dǎo)體發(fā)展順利，顯然是因?yàn)楂@得了晶片技術(shù)的基礎(chǔ)。發(fā)展的重點(diǎn)是，研發(fā)最新一代的晶片，而未改變原有封裝技術(shù)。全新的IGBT晶片大多已與現(xiàn)有的封裝整合，這個(gè)方法總有一天達(dá)到極限。系統(tǒng)需求不斷增長，新一代的晶片也進(jìn)入生產(chǎn)，必須隨之研發(fā)具有相應(yīng)能力的新封裝。能因應(yīng)這些挑戰(zhàn)所的需要，便是我們的‘解答’。

　　一如往常，英飛凌在此提供了適時(shí)的‘解答’：適用于高功率IGBT的新模組標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)全新標(biāo)準(zhǔn)的高功率平臺在PCIM 2014中首度亮相，可望成為日后挑戰(zhàn)的‘解決之道’。名為‘The Answer’的新模組平臺，其細(xì)部性能滿足了各式各樣應(yīng)用與應(yīng)用情境的需求，例如高功率密度、效率、長生命周期與耐用度。英飛凌為高功率IGBT模組設(shè)下了全新外殼標(biāo)準(zhǔn)，適用1200V至6.5kV等多個(gè)電壓等級。新標(biāo)準(zhǔn)外殼的擴(kuò)充能力，大幅度簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而且，堅(jiān)固的架構(gòu)提供長時(shí)間的穩(wěn)定性，即使曝露在環(huán)境條件最嚴(yán)苛的應(yīng)用當(dāng)中，也絲毫不受影響。

　　圖4：‘The Answer’定義全新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——適用 1200V 到最高 6.5kV 等多個(gè)電壓等級，其中包含 400A/4.5kV和 275A/6.5kV兩種規(guī)格，其尺寸為 100mm x 140mm x 40mm

　　現(xiàn)代的轉(zhuǎn)換器概念，在設(shè)計(jì)和建構(gòu)過程中講求高能源效率和彈性。以新的可擴(kuò)充高功率平臺為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換器的尺寸大小就能根據(jù)傳動裝置上的電力需求實(shí)施最佳調(diào)整。其封裝可由先前研發(fā)的轉(zhuǎn)換器輕松擴(kuò)展，增加更多模組就能因應(yīng)。相容于今日常見電壓等級的未來封裝技術(shù)一旦上市，憑藉其轉(zhuǎn)換器可擴(kuò)充的原始設(shè)計(jì)，即能于不同的電壓等級進(jìn)行交換。

　　新平臺的彈性概念確保相似的零件能以并聯(lián)方式連接，因此得以使用簡化結(jié)構(gòu)連結(jié)DC連結(jié)端子與電容器。此外，AC端子能并聯(lián)連接于一個(gè)匯流排上，此舉縮短了開發(fā)時(shí)間，并降低系統(tǒng)成本。新平臺使用最新技術(shù)，不僅降低系統(tǒng)成本，其設(shè)計(jì)又符合未來需求，有效縮短了上市時(shí)間，提高競爭力。