面向能源社会的功率半导体

执行摘要 半导体器件技术和产品正在不断开发，具有更合适的电气和可靠性。如今，随着宽带隙材料的引入，这些技术在性能上正在经历重大飞跃，这将在提高许多已建立和新兴的电力电子应用的能源效率方面发挥重要作用。 对能源明智社会的承诺必须是对权力承诺的代名词半导体及其应用 本白皮书的目的是促进对功率半导体在非常广泛的行业和整个社会中发挥的以市场为导向，市场驱动和以市场为中心的角色的更高认识和实际见解。到2030年，功率半导体器件的年收入预计将增加一倍以上。这并不令人惊讶，因为这些高科技电子元件构成了应对能源社会道路上的重大挑战的关键推动者，即脱碳和数字化。与半导体集成电路（IC）在计算机，数据存储和通信应用中的作用类似，功率半导体的广泛使用是现代功率电子的核心。这包括可再生能源发电和输电、电动汽车、自动化工厂、节能数据中心、智能城市和智能家居，仅举几个例子。 功率半导体需要解决的挑战，以满足能源明智的社会的需求 从芯片到封装再到电力电子，功率半导体的发展正变得在整个价值链中紧密相关。必须确保强大的供应链，因为功率半导体需要成本结构内的特定材料以及大规模制造所需的材料的可用性。其中一些材料可能构成未来的潜在瓶颈。例如，在冠状病毒大流行期间，在世界许多地方，半导体行业的供应链问题在整个经济中产生了巨大的连锁反应。未来，将需要特别关注整个功率半导体产业价值链，以避免类似情况，以免危及全球脱碳努力。 能源社会中功率半导体的战略机遇 为了实现向能源社会的转变，需要政府在推进功率半导体器件和集成技术的政策和目标方面做出更有针对性的承诺，并确保有足够的资金和资源。朝着正确方向迈出的一些初步步骤包括 推进功率半导体的利用是在本世纪中叶成功实施实现碳中和的国家政策的唯一手段。许多所需的碳中和新兴应用只能通过电力电子和功率半导体来实现。改进的功率 用欧盟委员会的话说，许多国家的目标是“发展一个繁荣的半导体生态系统和有弹性的供应链”。在这些举措中，仍然需要对功率半导体所发挥的关键作用有更强的认识。 第2节介绍了与能源社会相关的最重要的电力电子应用，并考虑了驱动功率半导体当前和未来发展的力量。 第3节从不同的角度回顾了影响电力电子应用中作为关键组件的功率半导体器件的主要发展。这些发展与行业价值链（芯片和模块）有关。导致循环经济的可持续性和生命周期评估主题也首次包含在此类白皮书中。 此外，达到脱碳关键里程碑所需的多学科工程技能所需的人力资源日益短缺也是一个严重的问题。为了成功缓解这一问题，需要在决策层面采取战略行动。 第4节考虑了最先进的标准以及响应功率半导体的开发和新兴应用带来的新挑战而产生的新标准要求。 功率半导体标准 第5节提供了结论和一些关键建议。它考虑了前几节中讨论的变化对IEC，其利益相关者和未来标准工作的意义。 本白皮书重点介绍了功率半导体在能源社会中的战略作用，以帮助在标准化机构中制定指导方针，并将功率半导体带到即将提出的标准化建议的最前沿。标准在包括功率半导体在内的任何行业的发展中发挥着关键作用，可以加速市场接受和更快地在全球范围内部署应用，从而消除重大技术风险，提高产品质量并确保公平竞争。本白皮书还向IEC利益相关方提供了可实施的建议，旨在加强这些各方之间的合作结构，加快制定和采用所需标准。 呼吁采取行动 功率半导体不再是一种无法使用的技术。然而，需要加大努力，以确保功率半导体在向能源社会过渡中发挥的独特作用得到所有参与者的充分理解和赞赏。部署包含功率半导体的电力电子设备所需的加速带来了新的挑战，这可能对所有IEC利益相关者产生重大影响-从电力电子最终用户到电力电子设备制造商和功率半导体制造商。例如，将功率半导体器件和功率电子行业从“线性经济”转变为“循环经济”。 为了解决上述复杂的主题，白皮书的结构如下： 第1节介绍了能源社会的概念，功率半导体的作用和工作原理，以及此类设备对联合国可持续发展目标和IEC战略计划的影响。 通过在使用结束时返回到产品周期的不断流动的资源将需要巨大的变化，特别是考虑到行业参与者之间的不同情况以及他们进行必要变化的不同能力。 国家标准化机构彼此之间以及与行业之间的合作更加紧密，使其方法和流程与有关功率半导体和功率电子的标准保持一致。 IEC社区的重要组成部分包括青年专业人员（YP）计划，本白皮书的作者旨在通过向YP提供专门的信息来激励YP，敦促他们接受功率半导体和功率电子的挑战，以改变世界变得更美好。 了解本白皮书中详述的变化，包括所涉及的新技术和标准要求，将保证IEC保持在功率半导体和功率电子发展的最前沿。IEC可以继续在确保国际和 给年轻专业人员的信息 在IEC市场策略委员会的白皮书系列中，本白皮书中包含了一个特别的简短部分，专门针对IEC青年专业人员（YP）计划的受众以及其他标准化组织和行业的青年专业人员。 本白皮书的作者和撰稿人坚信，我们的能源社会将有一个电气化的未来。功率半导体是关键技术，是全电动和互联社会的基石，它将具有更轻，更严格，更可靠和更节能的电力电子应用。因此，功率半导体器件和电力电子设备为YP提供了一个独特的机会，他们有动力对我们世界的电气化/脱碳产生有意义和可量化的影响。此外，这个蓬勃发展的行业推动了一个充满活力的创新生态系统，无论在芯片/模块/电源转换器设计或制造方面，YPS都将使用领先的尖端技术。 本白皮书旨在激发永不停止的创新，并呼吁YP迎接挑战，因为一个能源明智的社会将需要改进甚至突破性的功率半导体。今天的YP -明天的领导者-可以推动许多新一代功率半导体和功率电子产品的开发和商业化。 Acknowledgments Markus Behet博士，SICC，会员奥尔堡大学FredeBlaabjerg教授，成员RolandBrüniger博士，R.BrünigerAG，成员Dr Stephanie Watts Butler, WattsButler LLC,会员Cyril Buttay教授，INSA Lyon，成员Eric Carrol先生，EIC咨询公司，成员Rensselaer理工学院PaulChow教授，会员PeterDietrich先生，RichardsonRFPD，成员DrazenDujic教授，EPFL，成员IsmailDrhorhi博士，ONEE-BE，YP会员罗斯托克大学Hans-GünterEckel教授，会员宝马集团的Said El - Barbari博士，英飞凌的成员Peter Friedrichs博士，苏黎世联邦理工学院的Ulrike Grossner教授，成员郭文迪教授，奥尔堡大学，会员卡尔斯鲁厄理工学院MarcHiller教授，成员DrOliverHilt,英飞凌,会员胡云超先生，华为，会员Jonas Huber教授，苏黎世联邦理工学院，会员九州理工学院大村一郎教授，会员长冈理工大学伊藤纯一教授，成员Uwe Jansen先生，英飞凌，成员NandoKaminski教授，不来梅大学，会员京都大学Tsunenobu Kimoto教授，会员苏黎世联邦理工学院Johann Kolar教授，会员Bernd Laska博士，西门子，会员 本白皮书由代表各种组织的61名成员组成的项目团队在IEC市场策略委员会下工作。项目团队包括来自半导体网络企业， 学 术 界 ， 来 自 世 界 各 地 的 设 备 供 应 商 和IEC YogProfessioals的代表。项目发起人是三菱电机公司的KazhioTstsmi博士，也是IEC市场策略委员会主席。项目协调由IEC市场策略委员会秘书Peter Lactot负责。协调作者和项目 合 作 伙 伴 是MTAL GmbH的Maf Rahimo博 士 和IliaNistor博士。 管理团队成员（按字母顺序）： Shiori Idaka博士，三菱电机公司三菱电机公司Harufusa Kondo博士三菱电机公司的GourabMajumdar博士三菱电机公司Atsushi(Jack)Miyoshi博士MrDragiTrifunovich,DaihyoLLC 项目团队成员是（按字母顺序）： AkagiHirofumi教授，东京工业大学，会员Solomon Alemu先生，Goldwin科学技术有限公司，YP成员AntonelloAntoniazzi先生，ABB，成员奥尔堡大学AmjadAnvari-Moghaddam教授，会员贝罗伊特大学Mark-MatthiasBakran教授，会员 Heinz Lendenmann博士，ABB，成员Sandrine Leroy女士，Yole集团，成员李新强先生，上海电器研究所，会员马格德堡奥托·冯·格里克大学安德烈亚斯·林德曼教授，成员Leo Lorenz博士，ECPE，成员Markus Makoschitz博士，奥地利理工学院，会员RenatoMinamisawa教授，FachhochschuleNordwestschweiz成员AshithaNarendran女士，中央电力研究所，YP成员九州大学西泽信一教授，会员东田富彦博士，东京电力公司，会员休斯敦大学KaushikRajashekara博士，会员Klaus Rigbers博士，SMA，成员九州大学WataruSaito教授，宝马集团成员OliverSenftleben博士，日立成员Shima博士，成员奥尔堡大学Daniel-IoanStroe教授，会员三菱电机公司的KenichiSuga博士高桥博史先生，富士电机，会员MarkusThoben教授,FachhochschuleDortmund,会员北卡罗来纳州立大学VictorVeliadis教授，会员Jan Vobecky博士，日立能源，会员AndreasVolke博士，PowerIntegrations，会员MingXue先生，英飞凌，会员 目录 第一节迈向能源明智的社会19 1.11.1.11.1.2白皮书的目标23 1.21.2.11.2.21.2.3 第二节电力电子发展趋势和未来展望28 2.12.1.1常规电力系统282.1.22.1.3光伏发电312.1.4风力发电322.1.5绿色制氢332.1.6固态变压器和固态断路器342.1.7移动基础设施362.1.8电网稳定储能372.2电气化应用-用户部门介绍392.2.1电气化移动性402.2.2Automotive 402.2.3铁路422.2.4电气化飞机442.2.5电气化船舶452.2.6工厂自动化、工业电机和逆变器462.2.7重工业和高功率转换器472.2.8其他行业应用48 2.2.9加热和冷却，家用电器492.3数据中心和电信信息技术- IT部门51 第三节功率半导体器件的发展趋势和未来展望53 第4节能源社会对功率半导体的需求标准77 4.14.24.34.44.5 第5节结论和建议84 5.15.2 5.3向IEC和其他标准制定组织(SDO)提出的建议86 缩写列表 VRE可变可再生能源（如太阳能、风能）VSC电压源变换器VSD变速传动WBG宽带隙WG工作组(IEC)YP年轻的专业 组织、机构和公司AEC汽车电子委员会ANSI美国国家标准协会CABIEC符合性评估委员会CENELEC欧洲电工标准化委员会ECPE欧洲电力电子中心EU欧洲联盟IEA国际能源署IEC国际电工委员会IEEE电气和电子工程师协会ISO国际标准化组织JEDECJEDEC固态技术协会，位于美国，拥有全球会员资格，并获得ANSI认证JEITA日本电子和信息技术产业协会MSBIEC市场策略委员会PEECTA电源转换技术附件平台(IEA)SEMI半导体设备与材料研究所SMBIEC标准化管理委员会UL保险商实验室 词汇表 智能电源模块 电源模块 隔离的功率半导体器件由至少两个功率半导体芯片（可以是不同类型/材料）在单个封装/外壳中的组件组成，通过冷却表面或基板与任何隔离的电路元件之间的集成电绝缘体提供内部半导体的绝缘