制造能耗变革从新一代半导体开始 - 美国制作创新研究
更新时间:2018-01-30 09:56 发布者:admin

制造能耗变革从新一代半导体开端 | 美国制造创新研究院系列

濒临62%的动力被白白浪费

美国制造创新收集(今朝称为MgfUSA)已经阐明了美国制造业计划的聚中心在资料与动力。清洁动力智能制作CESMII中的干净动力与动力互联网自不用说,而在复合材料IACMI和轻量化研究院LIFT中都关注到了汽车减重设计,本身也是为了下降动力耗费的成就。在美国第二个立异研究院“美国电力创新研究院” Power Amercia(PA)其存眷点异常在于动力的成绩。这是一个对于宏大的能源市场的创新核心。

图1:全部的动力转换效率约在38.4%,起源:劳伦斯?利弗莫尔国家实验室的动力评价

图1是美国动力部下属的劳伦斯?利弗莫尔国度试验室对2013年美国的动力应用情况的评估,可以从图中看到,包括核能、火电、光伏、风力发电等各类动力方法在使用过程中城市有损耗,真正被用到的动力终极只能达到38.4%的平均值,这象征着大批的动力在转换过程中(如生物能、化学能、机械能转为电能、电力的转换AC-DC-AC)有着大量的损耗,一直提升动力效率是人类不断的追求。

宽带隙半导体登场

2015年1月,Power America成破,并掉失落总计1.4亿美元的5年期基金,这一盘算将在5年内让美国的Power Electronics功率电子领域获得进步,并推进商业化进程。这是由北卡罗莱纳州立大学和国防部(DoD)联合领导并成破,瞄准更具本钱竞争优势的宽带隙半导体技术(WBG-Wide Band Gap)。这是一项基于SiC和GaN的功率电子(PE),加速SiC和GaN的产业应用。PA义务在于经过社区协同来实现出色规划但柔性的策略来加速开发工艺及设备。

表1可以看到,常用的硅基功率电子其带隙值仅为1.12,而包括6H SiC和4H SiC以及GaN都具有大于3.0eV的带宽,这些都属于宽带隙功率电子,相对于常用的硅基PE而言,WBG有更高的温度适用范围、非凡的抗电压击穿才干、载流子超脱速度,这些都大幅度提升了功率电子器件在各个应用领域中的性能如功率密度、转换效率,也成为了包括美国、德国、日本产业界的关注热点技术。

表1:宽带隙功率电子的带隙目的

(带隙的单位是电子伏特,数值越大意味着转换效率越高)

相较于硅基功率器件,SiC和GaN具有带隙方面的优势。当然钻石也有更为杰出的特征,但是,成本会太高,因此,也不作为开展的重点考虑。因为宽带隙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、新动力、消费电子领域,这些都是未来具有巨大市场潜力的领域,这也是美国制造创搜集将其界说为症结发展领域的重要原因。并成立了Power America这个创新中央来引导该产业的开展。

动力消耗无处不在,即使是“1%”的效力提升都意味着巨大的成本节俭,在制造业70%的动力花费来自于传动设备,而假如这些AC-DC-AC的转换过程中如果可能提高效率,也异常对于制造业而言是伟大的成本节省。据理解类似于富士康多么拥有百万级员工的超大型制造企业每年的电费达到60亿公民币以上,仅1%的节省就达到6000万人平易近币。

表2:WBG功率器件的晋升空间(绝对于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比较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结束对比,而WBG体积更小、任务温度范围更大、分量更轻城市给系统设计带来很多综合利益,例如:异常功率输出的体积、分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。

图2:WBG功率电子存在的优势

图2可以看到WBG的SiC和GaN相较于硅基功率器件的上风,高开关频率会让动力损耗较低,而温度范畴的顺应力则会带来体积的增加、宽带隙与电场带来更高的电压运行才能。

当然技能细节并不是本文要关注的,而巨大的节能潜力才是关键。如果我们可能节省空间大年夜于10%的话,对动力而言,这就会是一个巨大的投入,假想一下,中国未来冀望经过电动汽车来“弯道超车”,超越欧美在汽油发动机领域的极高的门槛,那么WBG就应该是我们必须鼎力突破并投入应用的,制造业作为中国的重点战略开展,而因为70%的制造能耗在电机传动,显然WBG的开拓就对“中国制造”变得非常关键。

聚焦蓝海市场

与之前对制造创新研究院的分析一样,美国电力PA聚焦于具备广阔应用远景的大市场,关注的是拥有蓝海特点的市场。既不能过火于在基础研究院,也不必要在已经大规模生产进入完全竞争的市场。

对宽带隙WBG而言,其可适应的市场异常较为普遍,包括几多个大的方向,包含储能装备、电动汽车、电机传动多少个年夜的标的目的,当然也包括射频天线等利用市场。

图3:SiC和GaN的应用市场预期

图3列举了包括汽车电子、混淆动力汽车/电动汽车传动、UPS电源、新动力如光伏/风电的逆变、高铁机车、破费电子、产业传动市场等主要的功率器件应用市场。

图4:SiC目前的市场进展

图4是来自注明的Yole开辟公司关于WBG市场的研究报告,SiC在市场的推进时光,改图显示了WBG目前的市场状态,SiC和GaN技术确切是比拟新兴的技术,SiC较早而GaN则是比来几年才开始进入市场。用于电网的功率因素校正是比较早,接着在光伏逆变领域、铁路的变流器、UPS这些领域,在电动汽车范畴今朝还在研发阶段,包括欧洲的汽车制造商也尚未将SiC和GaN技术投入运用。

图5:IHS对WBG市场的全体猜测,来源:IHS 2015年报告

图5是来自于国际有名咨询机构IHS对WBG的将来市场猜想,能够看到总懂得在2025年到达36亿美元的市场范围,从趋势上看在2014-2025年这个十年的时间里,WBG将会有较大的市场成长空间。

图6:SiC市场的重要制造商

由图6可以看到英飞凌、科凌CREE(功率电子部分已经卖给英飞凌)是最为主要的SiC市场器件提供商在大功率领域具有较强的优势,而在SiC应用领域里包括了三菱、东芝、日立、松上等日本厂商。

美国创新院PA的任务

懂得到WBG技术、WBG的市场应用方向后,就可以明白PA因何聚焦在WBG功率电子技术,由于这符合美国制造创新网络的主旨思想,“要去开发未来辽阔的贸易化市场,并经过生态体系树立让美国在该工业领域存在寰球领先的竞争力”。

在PA的目标设定中,分为3年、5年和10年规划,将WBG逐渐产业化,从高压、中压到高压设备,并经过创新中心的努力最终达到50%的成本降低。如图8所示,PA定义了未来达到在大于10kV的设备上采用WBG。

图7:PA创新中央的目标设定

而图8是PA完成这一目标的道路图,因为目前WBG的成本还是比较高的,相对于硅基的功率电子器件仍然有大略5倍的成本,而且WBG功率器件的牢固性尚待进步,包括与之匹配的测试、验证系统都还不成熟,因而,WBG的道路图经过生态系统的协作,使得新技术可以为用户所接受,并经过采取WBG研发产物进而推进其技术的先进与规模效应带来的成本下降。

图8:PA的技术道路图

如同很多其余的翻新研讨院一样,PA的技巧道路图也是经由一家征询公司,供给前期的技术文献整理、专家访谈,并制定了四个重要推动力跟途径图。

图9:PA优化产业链的规划

针对产业链的过程,各个阶段也由PA定义了各自的分工配合内容,如图9所示。

在其成员中,出人意料的是,美国头号军器商洛克希德.马丁是其最主要的会员,每年缴纳年费50万美元,成为单方面支撑会员。这充分反应了美国军械制造商对宽带隙电子的重视。其他成员WolfSpeed(最早是美国科瑞公司的功率电子事业部,旧年已经卖给德国英飞凌)、美国农业机械常青树约翰迪尔、雷神、ABB等公司。

渴望中国的功率电子器件厂商也可以经过产业共同可以可以在全球的市场竞争中占据一个重要的角色,中国产业最大的好处在于有巨大的市场给咱们停滞测试,这种优良条件是异样明显的,工业技术最大的艰难往往在于若何让产品经过现场的实际应用考验始终发现成绩,并不断停止品德的迭代,包括在应用技术的提升,一方面,从产业开展而言,国家须要创造条件给以企业测试的机会,产业生态系统的感化就是由此中相比优势的终端企业来提供产业里创新型企业的应用机会。产业协同效应即经过这种企业互联,形成知识共享、测试前提分享、商业机会互通的条件,创新就必须敢于试错,赐与试错企业机遇。

歇息力不要丢

美国制造创新研究院的教育和休息力开展(EWD)局部,重点领域的任务是辅助学术界和工业界的教育任务者和培训职员为师长教师和专业人士建立职业道路,进入下一代电力电子工业,趣胜电游,采用宽带隙半导体技术。 PowerAmerica社区有一个独特的机会,激发年青人从学前到大学阶段,了解这项技术对集团,社会和情形层面的有意思的影响,以及年轻人在促进这项技术方面的要害感召。教化实验室和相干实验,专注于应用的决定和包括将信息牢固地融入常识的设计名目:例如短期课程 - 长达1/2天到3天,是WBG主题目标模块。

而在美国电力创新院PA的项目征集书中,教诲与劳动力标的目的,也是有众多的项目供学术界和工业界的人员要求。例如斯中一个基于GaN跟SiC的设备设计与工艺文档,就供应了5万美元的援助,鼓励团队请求。

EWD特别感兴趣的是由多学科和跨机构合作创建的项目,并且高度激励一切提交的作品都使用新的创新形式的教学设计,教学交付,并强调多种移动平台。而在线材料也必须按照美国残疾人法案PA可以帮助这些请求。

PA会将项目所开发的材料“出版”,趣胜电游,不会收取出版费或页面费用。当然,PA恳求将版权让渡给PA,但将允许团体或机构用于其他目标--只要PA的LOGO在所批准的位置鲜明显明地显示即可。此外,教导和休息力材料必需在国家规模内推出,鼓励研究所使用知识共享(CC)授权,以确保更快更广泛地传播应用联邦基金开发的材料。

图10:EWD-PA在教育方面的奉行

教育与休息力开发是美国制造创新研究院的三大战略主线之一,每个创新研究院都会积极的与大学停止交换与合作,并且多数研究院的领导机构也是由具有丰富产业经验的大学领导,相关领域的技术专家作为协调人,对产业有全体的把控能力,政府在其中扮演的支持与协调脚色。教育与休息力开发必须成为制造业的并行工程,并且,这种并行不是教育休息部门单独运转,而是与产业深入的交叉,形成产业推动教育、教育推动产业的良性互动。

创新中心要有所不为

近期与一位台湾的大学教养探讨对于中国制造业规划,觉得“好像这个规划里将所有他们知道的技术点都列了出来”。可是过于强调片面性,反而过犹不及。

美国一切的制造创新研究院,都聚焦于产业化,将军方、大学与研究机构沉淀的科研投入转化为商用市场的竞争力,经过产业生态系统的本钱协同来降落产业成本与推进技术提高、制造技术的创新,有利于提升全体社会的资金效率。技术成熟度TRL/MRL即是一种有效的评价方式,美国制造创新院一般都聚焦在TRL4~7级,明显停止了取舍,但对应的是领有无比大的前景的技术应用领域。显然产业战略打算应当有所弃取,从TRL/MRL的角度来评价就是“有所为,有所不为”,识别高技术领域的哪个环节作为创新核心的攻破口,是高端制造的政策规划者需要重点关注的。

《美国制造创新研究院解读》图书封面

注:本文为南山工业书院美国制造创新中心研究组的部分成果,尽力于研究美国制造创新研究院的运转折制和产业蓝海若何规划。涉及进步制造14个领域。相关内容集结在《美国制造创新研究院解读》一书,失掉中国电子产业信息研究院的大力支持,近期即将由《电子工业出版社》出书,敬请关注。波及到如何创立产业联盟、运营创新中央、产业链规划的话题,欢迎交流。 

作者:宋华振(贝加莱工业自动化市场经理,南山工业书院研究组,对各个产业的智能设备与工厂集成有较深的认识,微旌旗灯号:SeanXSong)

编审:林雪萍(南山产业书院发动听,趣胜电游,北京联讯动力咨询公司,微旗帜暗号:sinceaprilbj)