大功率半导体的未来——何去何从

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1、功率器件功率系统设计POWERSYSTEMDESIGNCHINA2015年3/4月大功率半导体的未来——何去何从？作者：HubertKerstin、BjornRentemeister、ThomasRisse，英飞凌科技股份有限公司事实证明，功率模块是功率电子系统技术快速发展的同电压级别之间的部件共性理念，要求半导体制造商采用主要驱动力，在节能、控制动力、降噪以及减少重创新的解决方案以满足现代化节能功率电子未来的需求。量和体积方面表现地尤为明显。功率半导体主要用于控制大功率IGBT模块应用于工业驱动、交通和风力发

2、电能源生成与消耗之间的能量流。这需要极精确的技术和极机等各种应用。紧凑型设计、能效和可靠性是这些应用低的损耗。的关键因素。有一点是可以预见的，那就是，在更为苛刻工业应用的功率电子技术之所以能够不断进步，主要的新的应用环境中，对转换器和模块技术的可靠性和弹性取决于五大因素：高能效、工作温度、小型化、可靠性和将采用不同的、可能更为严格的要求。这就引出了一个问降低成本，这五个因素在某种程度上也相互影响。目前呈题，即，未来应该如何塑造解决方案以满足不同需求。现的趋势推动了功率半导体在过去三十年的发展，并将在未来继续推动

3、其发展。驱动从最初的30kW/cm²，到如今能够实现110kW/cm²的除了可再生能源能够发电之外，化石燃料的使用功率密度，这一切都要归功于创新的装配和互连技术。现继续在电源供应方面占有巨大份额。预计在2005年在普遍认为，通过IGBT模块的新发展，半导体行业将实至2030年期间，全球人口数量将增加17亿至82亿现明显更高的功率密度。未来功率增加将需要新的外壳，(1)。毫无疑问，城市化也将成为必然趋势。这样的发这一点也是显而易见的。展需要对石油和天然气等能源的提取和分布进行大量同时，转换器领域的发展也在继续。并

4、且伴随着芯片投资。新的生产技术能够开发出新的资源。这就需要技术和外壳设计的发展。与此相关的一些新理念，例如不高效率的泵驱动，而IGBT模块就是重点。在工业驱动方面，为了提高能效，越来越多的非稳压驱动逐渐被变速驱动取代。在钢铁、石油和天然气工业或采矿企业等工业应用中，转换器通常需要暴露在极其恶劣的条件下。图1：三十年的功率密度发展趋势——永无止境图2：英飞凌曾用创新模块在全球范围制定了行业标准WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM19功率器件市是第一次搭建铁路。鉴于货运和高速客运服务领域的

5、高经济增长速率，一些新兴经济体实施了宏大的新铁路建设项目(2)。可以确定有两项发展是全球牵引市场发展的驱动力：城市化和日益增加的流动性。即使个别项目是提前几年就策划和筹资的，但仍需要使用最新技术。这样能确保满足节省成本，尤其是节省时间的要求。与驱动转换器一样，紧凑设计和减轻重量也是铁轨部件的重要因素。风能随着可再生能源部分在发电行业继续稳步增长，对图3：新的模块标准必须考虑应用的多样性和不同的要求功率半导体器件的需求也不断增加。岸上风力发电机是目前可再生能源最经济的来源。复杂的变频器系统是工厂的灼热的钢铁、有害

6、的环境、多变的工况和周期性的过重要组成部分，因为首先它能够产生与市电兼容的电力。载意味着高电气和机械应力，因此需要非常稳定的结现代的海上风力发电机可以提供高达7MW的输出功率。构。在新技术和对现有工厂进行的现代化改造方面，该应用领域不断增加的发动机功率和空间限制要求紧凑且中低压应用采用100KW甚至数十兆瓦级的轧机驱动功能强大的转换器理念。在考虑此类项目的成本效益时，装置。必须实现可靠耐用的功率电子理念才能满足这低维护和生命周期成本起着重要作用。因此基于转换器理些要求。念的平台方法需要考虑各方面的设计效率。功率

7、电子解决方案必须高度可靠耐用才能满足应用牵引的大量需求，例如在风能领域的应用，以及牵引的驱动系牵引市场很大程度上取决于各个国家和地区以及城统、中压工业驱动或高压直流输电系统。借助高压直流输市和直辖市的基础设施项目。铁路运输正在经历一场全电技术，电力可以极高的成本效率进行长距离传输。在这球范围的复兴。世界各地出现了众多新的运输公司，并方面，海上风力发电厂与岸上供电电网的连接也是可能实成为大型并购的一部分，因为这是管理预期交通量的必现的。由之路。新的建设与扩建项目的数量在持续增长。许多城市建造了以铁路为基础的当地运

8、输系统，即便有些城“解决方案”IGBT技术面临的新挑战主要源于应用的需求不断增加。纵观近年来功率半导体的成功发展，很明显是以芯片技术为基础的。重点主要是没有改变封装技术的最新芯片。新的IGBT芯片主要集成到现有封装——这种方法有时候会有局限性。随着系统要求继续增长而新一代的芯片投入使用，有必要根据相应的功能开发新的封装。应对挑战需要的就是“解决方案”。和以往一样，英飞凌将提供这种解决方