高功率半導體的未來(lái) 前方道路通往何處？

　　電力電子系統技術(shù)之所以快速發(fā)展，功率模組乃是公認的主要推動(dòng)力，尤其在節約能源、功率控制動(dòng)態(tài)范圍、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(lái)控制發(fā)電與耗電之間的能量流，其過(guò)程需要的是無(wú)比的精確與極低損耗。

　　為了因應工業(yè)應用，持續推動(dòng)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(jiǎn)，而這5個(gè)面向在某種程度下會(huì )相互影響。這些趨勢在過(guò)去30年來(lái)不斷地驅策著(zhù)功率半導體的發(fā)展，未來(lái)也勢必扮演重要的推手。

　　圖1：過(guò)去30年的功率密度發(fā)展，未來(lái)仍潛力無(wú)限

　　采用創(chuàng )新的組裝與互連技術(shù)后，功率密度從當初的30kW/cm2提升到現今的110kW/cm2。一般認為，隨著(zhù)新的技術(shù)發(fā)展，半導體產(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，轉換器的相關(guān)技術(shù)也一直在進(jìn)步，就是因為晶片技術(shù)與模組外殼設計有所發(fā)展。技術(shù)變革帶來(lái)了各電壓等級零件通用等新概念，半導體制造商需要采取創(chuàng )新解決方案，以符合現代節能電力電子裝置的未來(lái)要求。

　　高功率IGBT模組適用多種應用，例如電動(dòng)車(chē)(EV)/混合動(dòng)力車(chē)(HEV)、工業(yè)驅動(dòng)裝置、運輸和風(fēng)力發(fā)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(jiàn)，在一個(gè)需求更高的環(huán)境中，新的應用對于轉換器與模組技術(shù)的耐久性和彈性的要求，將完全不同、甚至更加嚴苛。以上局面也導向了值得思考的問(wèn)題，也就是未來(lái)如何形塑解決方案才能滿(mǎn)足不同的需求。

　　圖 2：英飛凌憑創(chuàng )新模組為全球產(chǎn)業(yè)設下標竿

　　驅動(dòng)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(lái)勢洶洶的都市化浪潮更加速了人口成長(cháng)。由于人口增加了，就更加需要投注鉅額資金，開(kāi)采并配送石油與天然氣等能源來(lái)源，而且還要有新的生產(chǎn)技術(shù)，才能善用新資源。因此，開(kāi)發(fā)新資源所需的高效率幫浦驅動(dòng)裝置，其核心正是IGBT模組。就工業(yè)驅動(dòng)裝置而言，變速驅動(dòng)裝置已逐漸取代未調速驅動(dòng)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)應用中，轉換器的作業(yè)條件通常極其嚴酷。炙熱的鋼鐵、危險的環(huán)境、多變的操作模式以及周期性的過(guò)載，都意味著(zhù)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(dòng)裝置的功率，從100KW左右至數十MW，適用新興發(fā)展的中低電壓應用，以及現代化、改良現有廠(chǎng)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(mǎn)足這些需求的必要條件。

　　牽引機

　　牽引機市場(chǎng)高度仰賴(lài)公共建設工程專(zhuān)案，這類(lèi)專(zhuān)案系由各個(gè)國家、城市和地方政府執行。全球的鐵路運輸也正在經(jīng)歷一場(chǎng)巨大變革。世界各地有多家新興運輸公司正在進(jìn)行大規模并購，因為這是管理預期交通流量的唯一方法。新的鐵路建設與擴張專(zhuān)案不斷增加。很多城市都在建設以鐵路為主的本地運輸系統，有些城市甚至是首次進(jìn)行鐵路建設。有些新興經(jīng)濟體在貨運與高速載客服務(wù)領(lǐng)域都展現了極高的經(jīng)濟成長(cháng)率，因此雄心高昂，推動(dòng)多項全新的鐵路建設工程。

　　推動(dòng)全球牽引機市場(chǎng)的兩大發(fā)展如下：都市化以及日益擴張的機動(dòng)力。即使個(gè)別工程已提早數年進(jìn)行規劃與籌措資金，仍需運用最新技術(shù)，這樣才能滿(mǎn)足節省成本與時(shí)間的相關(guān)需求。鐵道運輸元件與驅動(dòng)裝置轉換器類(lèi)似，精巧設計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)電量比例穩定成長(cháng)，對功率半導體的需求也隨之增長(cháng)。岸上風(fēng)力發(fā)電機是目前最經(jīng)濟的再生能源來(lái)源之一。復雜的變頻系統能連結電網(wǎng)，提供發(fā)電電力，因此成為發(fā)電廠(chǎng)的重要元件?，F代離岸風(fēng)力發(fā)電機的輸出電力最高可達7MW。發(fā)電機的功率越來(lái)越高，而且風(fēng)力發(fā)電應用有空間限制，因此需要小巧且功能強大的轉換器概念?？剂肯嚓P(guān)工程的成本效益之際，低廉的維護成本和生命周期扮演了非常重要的角色。由于設計效率必須面面俱到，因此將以轉換器為基礎的平臺方案列入考量。

　　電力電子解決方案必須十分堅固耐用，才能滿(mǎn)足各項應用的基本要求，例如上述的風(fēng)力發(fā)電、牽引機械的驅動(dòng)系統、中電壓工業(yè)驅動(dòng)裝置或高壓直流輸電系統。利用高壓直流輸電技術(shù)，即能以極具成本效益的方式長(cháng)距離傳輸電力。從這方面看，離岸風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)與岸上供電網(wǎng)的連結，就很有實(shí)現的潛力。

　　圖3：新的模組標準必須考量應用的多樣性與不同需求

　　解決之道

　　IGBT技術(shù)面臨越來(lái)越多新的挑戰，主要原因是各項應用的需求不斷增加。近幾年功率半導體發(fā)展順利，顯然是因為獲得了晶片技術(shù)的基礎。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晶片大多已與現有的封裝整合，這個(gè)方法總有一天達到極限。系統需求不斷增長(cháng)，新一代的晶片也進(jìn)入生產(chǎn)，必須隨之研發(fā)具有相應能力的新封裝。能因應這些挑戰所的需要，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的新模組標準。這個(gè)全新標準的高功率平臺在PCIM 2014中首度亮相，可望成為日后挑戰的‘解決之道’。名為‘The Answer’的新模組平臺，其細部性能滿(mǎn)足了各式各樣應用與應用情境的需求，例如高功率密度、效率、長(cháng)生命周期與耐用度。英飛凌為高功率IGBT模組設下了全新外殼標準，適用1200V至6.5kV等多個(gè)電壓等級。新標準外殼的擴充能力，大幅度簡(jiǎn)化了系統設計。而且，堅固的架構提供長(cháng)時(shí)間的穩定性，即使曝露在環(huán)境條件最嚴苛的應用當中，也絲毫不受影響。

　　圖4：‘The Answer’定義全新的工業(yè)標準——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兩種規格，其尺寸為 100mm x 140mm x 40mm

　　現代的轉換器概念，在設計和建構過(guò)程中講求高能源效率和彈性。以新的可擴充高功率平臺為基礎，轉換器的尺寸大小就能根據傳動(dòng)裝置上的電力需求實(shí)施最佳調整。其封裝可由先前研發(fā)的轉換器輕松擴展，增加更多模組就能因應。相容于今日常見(jiàn)電壓等級的未來(lái)封裝技術(shù)一旦上市，憑藉其轉換器可擴充的原始設計，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(jiǎn)化結構連結DC連結端子與電容器。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(kāi)發(fā)時(shí)間，并降低系統成本。新平臺使用最新技術(shù)，不僅降低系統成本，其設計又符合未來(lái)需求，有效縮短了上市時(shí)間，提高競爭力。