制造能耗变革从新一代半导体开始 | 美国制造创新研究院解读

2017-08-23 11:31

相较于硅基功率器件，SiC和GaN具有带隙方面的优势。当然钻石也有更为卓越的特性，但是，成本会太高，因此，也不作为发展的重点考虑。由于宽带隙WBG具有很大的应用前景和广阔的应用领域，包括军用电子、电动汽车、新能源、消费电子领域，这些都是未来具有巨大市场潜力的领域，这也是美国制造创网络将其定义为关键发展领域的重要原因。并成立了Power America这个创新中心来引导该产业的发展。

能源消耗无处不在，即使是“1%”的效率提升都意味着巨大的成本节省，在制造业70%的能源消耗来自于传动设备，而如果这些AC-DC-AC的转换过程中如果可以提高效率，也同样对于制造业而言是巨大的成本节省。据了解类似于富士康这样拥有百万级员工的超大型制造企业每年的电费达到60亿人民币以上，仅1%的节省就达到6000万人民币。

表2：WBG功率器件的提升空间（相对于Si）

表2显示了WBG功率器件相对于目前市场上占主导地位的硅基材料相比所能带来的提升空间，可以看到其在转换过程中给出了综合的提升空间，这个仅从转换效率提升空间进行对比，而WBG体积更小、工作温度范围更大、重量更轻都会给系统设计带来很多综合好处，例如：同样功率输出的体积、重量降低也会让汽车更为节能、在军用战斗机上，占用空间小，也可以让其它的设备变得更易于部署。

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图2：WBG功率电子具有的优势

图2可以看到WBG的SiC和GaN相较于硅基功率器件的优势，高开关频率会让能源损耗较低，而温度范围的适应力则会带来体积的缩小、宽带隙与电场带来更高的电压运行能力。

当然技术细节并不是本文要关注的，而巨大的节能潜力才是关键。如果我们能够节省空间大于10%的话，对于能源而言，这就会是一个巨大的投入，想象一下，中国未来希冀通过电动汽车来“弯道超车”，跨越欧美在汽油发动机领域的极高的门槛，那么WBG就应该是我们必须大力突破并投入应用的，制造业作为中国的重点战略发展，而由于70%的制造能耗在电机传动，显然WBG的开发就对“中国制造”变得非常关键。