满足 21 世纪的电气化需求，实现净零未来

在 20 世纪，主要通过燃烧煤炭等化石燃料在大型发电站集中发电。然后，电力通过长距离传输网络传输，并通过本地配电网络供应给用户。由于内燃机的普及，交通网络出现了类似的能源基础设施，化石燃料是在不稳定和脆弱的地区长距离运输的主要能源。

尽管这种能源和交通基础设施达到了它的目的，并使当今大多数发达国家实现了工业化，但它通过增加温室气体排放对全球环境产生了巨大的不利影响，导致全球气温上升和极端天气模式。随着新兴和前沿经济体进入工业化阶段，这种集中的以化石燃料为基础的电力和交通网络是不可持续的，需要未来的下一代能源网络。

21世纪的能源网络

用于实现新兴和前沿经济体工业化以及维持发达经济体生活水平的下一代能源基础设施必须对全球环境极为有利。全球科学家一致认为，我们必须将温室气体排放足迹减少到 2000 年的水平，以将全球气温上升限制在 1.5 ˚C以下，才能拥有可持续的未来。为实现未来的可持续能源网络，Onsemi 认为 21 世纪的能源网络将主要以太阳能和风能等可再生能源为基础，并结合储能能力，能源消耗必须向高效、电动汽车 (EV) 等零排放负载，以实现可行和可持续的能源网络。

21 世纪的能源网络——无论是太阳能、风能和储能等可再生能源，还是电动汽车和变频电机等高效负载——都将由功率半导体实现。在太阳能、风能和储能的情况下，绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)主要用于将可变和间歇性能源转换为一致、可持续的能源网络，提供零排放的可再生能源。对于新兴的电动汽车和充电基础设施，在可预见的未来，IGBT 和 SiC 都将成为交通能源网络的主力军，实现零排放交通网络。对于工业、楼宇和工厂自动化，逆变器和无刷直流电机由 IGBT 和金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET) 实现；人类与云和 5G 网络的连接也是如此。最新一代的 MOSFET 技术正在实现高效电源和不间断电源，从而为全球人类网络提供无处不在的连接。

功率半导体增长动力

为实现未来可持续的全球能源网络，世界所有主要经济体和地区都在采用脱碳和限制温室气体排放，并制定了不同程度的法规和激励措施。在法规、激励措施和有吸引力的投资回报的共同推动下，我们预计可再生能源在未来十年将翻一番。由于太阳能光伏板成本的下降，太阳能将成为这一增长的主要驱动力。

在交通网络、化石能源的主要用户和最大的碳排放国中，由于政府法规和汽车制造商将更广泛的产品组合和远程汽车推向市场，电动汽车的变革步伐将加快。加速采用电动汽车的另一个因素是化石燃料储量的减少以及由此产生的更高的开采成本。

随着工业化进程的加快，尤其是在新兴和前沿经济体中，电机的使用正在增加。在发达国家，建筑和工厂自动化将增长以抵消更高（和不断上升）的劳动力成本。该领域的法规将要求使用更高效的电机，这也将需要更高效的逆变器来驱动它们而不浪费能源。

世界上大约 45% 的电力消耗在电机上，因此这里的效率提高将对降低能源消耗产生重大影响。相关的逆变器对于实现这些改进至关重要，我们预计这些设备在未来 10 年内在交流和直流电机应用中的使用量将翻一番。虽然减少运营费用将是有益的，但预计这里的主要驱动力将是更严格的效率立法。

功率半导体：零排放的关键推动力

如前所述，功率半导体将成为 21 世纪可再生能源和高效负载能源网络的关键推动者。为了使功率半导体能够让我们持续有效地利用能源并实现零排放，它们需要在三个关键领域取得进展：

开关技术性能

高效包装

成本和容量

零排放的三个关键推动因素

在开关时，无论器件是 MOSFET、IGBT 还是 SiC，关键的推动因素都将是技术创新，这将使开关的运行效率更高，同时降低静态和动态损耗。高效封装是另一个关键变量，因为没有真正理想的开关，总会有一些损耗必须以热量的形式从半导体芯片中提取出来。从商业角度来看，成本始终是一个重要因素，随着电动汽车、可再生能源基础设施和云能源的指数级增长，这些技术的供应链弹性是最关键的因素之一。

功率半导体技术

在半导体技术中，它们的使用通常是针对特定应用的，最优化的开关技术的选择基于功率水平和开关频率，以提供最高的系统级效率。所有这些技术的持续创新是提供 21 世纪高效和可持续网络的唯一途径。

交换技术将是特定于应用程序的。

Onsemi致力于硅 (Si) 技术、行业领先的 MOSFET 和 IGBT 技术，并大力投资以超越 SiC 的竞争，为市场提供一流的开关技术。

SiC 是一种新型宽带隙材料，与同等的基于 Si 的器件相比，它的性能显着提高。这里的主要性能驱动因素在于单元结构，从而实现更高的密度。这种更高的电池密度提高了效率，使电动汽车能够为相同的电池组提供更长的续航里程。

对于 IGBT，Si 晶片的晶片厚度和深场终止层对于提高效率和增加功率能力变得非常关键。对于 MOSFET，单元间距和单元密度是关键驱动因素。

封装创新是从设备中提取热量和提高可靠性的重要考虑因素。根据应用，可以使用分立设备或模块。在 EV 等超高功率 (150–250 kW) 应用中，牵引模块可能是最佳选择。

封装创新的三个关键领域：互连、材料和模块。在互连领域，从焊料互连转向烧结或烧结夹可以降低接触电阻，进而提高可靠性。

在材料方面，关键创新涉及银和铜的烧结并最终嵌入，从而实现更长的生命周期和更高的功率密度。在牵引模块中，封装的热阻是一个关键参数。在这里，使用双面直接冷却可以显着提高热阻，从而提高功率密度。

除了开关和封装方面的技术进步外，onsemi 还提供了强大且具有高弹性的供应链。尽管 Onsemi 拥有其 fab-lite 模式，但它是极少数在内部处理自己的晶圆以提供强大供应链的功率半导体公司之一。最近对 GT Advanced Technologies的收购确保了 SiC 的高度垂直整合和弹性供应链，这是实现未来可持续增长的关键技术之一。通过与包括晶圆厂和代工厂在内的第三方的长期合作伙伴关系，供应链的弹性得以增强。

概括

21世纪的下一代高效能源网络将建立在具有存储能力的可再生能源之上，同时最有效地利用由电动汽车、变频电机和高效负载驱动的网络。然而，只有通过一流的 Si 和 SiC 开关技术、高效可靠的封装以及弹性供应链，才能实现净零未来的这些关键推动力。

审核编辑 黄昊宇