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制造能耗变更重新一代半导体开端 - 美国制作翻新研讨院系列

2018-01-30 18:47 点击:
制造能耗变更重新一代半导体开始 | 美国制造创新研究院系列

濒临62%的动力被白白挥霍

美国制造创新网络(目前称为MgfUSA)曾经说明了美国制造业规划的聚核心在材料与动力。清洁动力智能制造CESMII中的干净动力与动力互联网自不必说,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,自身也是为了降低动力消耗的成绩。在美国第二个创新研究院“美国电力创新研究院” Power Amercia(PA)其关注点异样在于动力的成绩。这是一个关于巨大的动力市场的创新中心。

图1:全体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是美国动力部上司的劳伦斯?利弗莫尔国家试验室对2013年美国的动力使用情形的评价,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,真正被用到的动力最终只能达到38.4%的均匀值,这意味着大量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)有着大批的损耗,一直提升动力效率是人类不断的寻求。

宽带隙半导体退场

2015年1月,Power America成立,并失掉总计1.4亿美元的5年期基金,这一规划将在5年内让美国的Power Electronics功率电子领域取得进步,并推进商业化过程。这是由北卡罗莱纳州立大学和国防部(DoD)结合领导并成立,对准更具成本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),减速SiC和GaN的产业应用。PA任务在于经过社区协同来完成杰出规划但柔性的战略来减速开发工艺及设备。

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有更高的温度实用范围、不凡的抗电压击穿才能、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机能如功率密度、转换效率,也成为了包括美国、德国、日本产业界的关注热门技术。

表1:宽带隙功率电子的带隙目标

(带隙的单元是电子伏特,数值越粗心味着转换效率越高)

相较于硅基功率器件,SiC跟GaN存在带隙方面的上风。当然钻石也有更为出色的特征,然而,本钱会太高,因而,也不作为开展的重点斟酌。因为宽带隙WBG具备很年夜的利用远景和辽阔的运用领域,包含军用电子、电动汽车、新动力、花费电子领域,这些都是将来拥有宏大市场潜力的范畴,这也是美国制作创收集将其界说为要害开展领域的主要起因。并成破了Power America这个翻新核心来领导该工业的开展。

动力耗费无处不在,即便是“1%”的效力晋升都象征着伟大的成本节省,在制造业70%的动力消费来自于传动设备,而假如这些AC-DC-AC的转换进程中如果能够进步效率,也异样对制造业而言是巨大的成本节省。据懂得相似于富士康如许领有百万级员工的超大型制造企业每年的电费达到60亿人平易近币以上,仅1%的节俭就达到6000万国民币。

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位置的硅基材料比拟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停止对照,而WBG体积更小、任务温度规模更大、分量更轻都会给系统设计带来良多综合利益,例如:异样功率输入的体积、重量降低也会让汽车更为节能、在军用战役机上,占用空间小,也可以让其它的设备变得更易于安排。

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,高开关频率会让动力损耗较低,而温度范围的顺应力则会带来体积的减少、宽带隙与电场带来更高的电压运转能力。

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。如果咱们可能节省空间大于10%的话,对于动力而言,这就会是一个巨大的投入,设想一下,中国未来期望经过电动汽车来“弯道超车”,逾越欧美在汽油发念头领域的极高的门槛,那么WBG就应该是我们必须鼎力打破并投入应用的,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的开发就对“中国制造”变得无比关键。

聚焦蓝海市场

与之前对制造创新研究院的剖析一样,美国电力PA聚焦于具有广阔应用前景的大市场,关注的是具有蓝海特性的市场。既不克不及过分于在基本研究院,也不用要在曾经大规模出产进入完整竞争的市场。

对于宽带隙WBG而言,其可顺应的市场异样较为广泛,包括几个大的标的目的,包括储能设备、电动汽车、电机传动几个大的方向,当然也包括射频天线等应用市场。

图3:SiC和GaN的应用市场预期

图3罗列了包括汽车电子、混杂动力汽车/电动汽车传动、UPS电源、新动力如光伏/风电的逆变、高铁机车、消费电子、产业传动市场等重要的功率器件应用市场。

图4:SiC目前的市场停顿

图4是来自注明的Yole开辟公司对于WBG市场的研讨讲演,SiC在市场的推动时光,改图显示了WBG今朝的市场状况,SiC和GaN技术确实是比拟新兴的技巧,SiC较早而GaN则是比来多少年才开端进入市场。用于电网的功率要素校订是比较早,接着在光伏逆变领域、铁路的变流器、UPS这些领域,在电动汽车领域目前还在研发阶段,包括欧洲的汽车制造商也尚未将SiC和GaN技术投入应用。

图5:IHS对WBG市场的全体猜测,来源:IHS 2015年呈文

图5是来自于国际著名咨询机构IHS对WBG的未来市场预测,可以看到总领会在2025年达到36亿美元的市场规模,太阳城菲律宾官方网,从趋向上看在2014-2025年这个十年的时间里,WBG将会有较大的市场生长空间。

图6:SiC市场的主要制造商

由图6可以看到英飞凌、科凌CREE(功率电子局部曾经卖给英飞凌)是最为重要的SiC市场器件供给商在大功带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

了解到WBG技术、WBG的市场应用方向后,就可以清楚PA因何聚焦在WBG功率电子技术,因为这合乎美国制造创新网络的宗旨思维,太阳城菲律宾官方网,“要去开发未来广阔的贸易化市场,并经过生态系统建立让美国在该产业领域具有寰球当先的竞争力”。

在PA的目的设定中,分为3年、5年和10年打算,将WBG逐步产业化,从高压、中压到高压设备,并经过立异中央的尽力终极到达50%的成本下降。如图8所示,PA定义了未来达到在大于10kV的装备上采取WBG。

图7:PA创新中心的目标设定

而图8是PA完成这一目标的道路图,由于目前WBG的成本仍是比较高的,绝对于硅基的功率电子器件依然有大概5倍的成本,并且WBG功率器件的稳固性尚待提高,包括与之婚配的测试、验证系统都还不成熟,因此,WBG的道路图经过生态系统的协作,使得新技术可认为用户所接收,并经过采用WBG研发产物进而推进其技术的先进与范围效应带来的成本降落。

图8:PA的技术道路图

犹如许多其他的创新研究院一样,PA的技术道路图也是经过一家咨询公司,提供后期的技术文献收拾、专家访谈,并制订了四个主要推进力和道路图。

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定义了各自的分工合作内容,如图9所示。

在其成员中,出其不意的是,美国头号军火商洛克希德.马丁是其最重要的会员,每年交纳年费50万美元,成为片面支撑会员。这充足反映了美国军械制造商对宽带隙电子的器重。其他成员WolfSpeed(最早是美国科瑞公司的功率电子事业部,客岁曾经卖给德国英飞凌)、美国农业机械常青树约翰迪尔、雷神、ABB等公司。

盼望中国的功率电子器件厂商也可以经过产业合作可以可以在全球的市场竞争中占领一个重要的角色,中国产业最大的好处在于有巨大的市场给我们停止测试,这种精良条件是异常显著的,工业技术最大的艰苦往往在于如何让产品经由现场的实践应用考验不断发明成绩,并不断停止品质的迭代,包括在应用技术的提升,一方面,从产业开展而言,国家需要发明条件给予企业测试的机会,产业生态系统的作用就是由其中比较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,造成知识共享、测试条件分享、商业机会互通的前提,创新就必须勇于试错,赐与试错企业机会。

休息力不要丢

美国制造创新研究院的教育和休息力开展(EWD)部分,重点领域的任务是协助学术界和工业界的教育任务者和培训人员为先生和专业人士树立职业途径,进入下一代电力电子工业,采用宽带隙半导体技术。 PowerAmerica社区有一个奇特的机遇,激起年青人从学前到大学阶段,了解这项技术对团体,社会和情况层面的有意思的影响,以及年轻人在增进这项技术方面的症结感化。教学实验室和相关实验,专一于应用的抉择和包括将信息坚固地融入知识的设计项目:例如短期课程 - 长达1/2天到3天,是WBG主标题标模块。

而在美国电力创新院PA的项目征集书中,教育与休息力方向,也是有浩繁的项目供学术界和产业界的职员请求。例如此中一个基于GaN和SiC的设备设计与工艺文档,就提供了5万美元的赞助,鼓励团队请求。

EWD特殊感兴致的是由多学科和跨机构配合创立的项目,而且高度勉励一切提交的作品都使用新的创新情势的教学设计,教养交付,并强调多种挪动平台。而在线材料也必须遵照美国残疾人法案PA可以帮助这些要求。

PA会将名目所开发的资料“出书”,不会收掏出版费或页面用度。当然,PA请求将版权让渡给PA,但将容许团体或机构用于其余目标--只有PA的LOGO在所同意的地位光鲜明显地显示即可。此外,教导和劳能源材料必需在国度范畴内推出,激励研究所使用常识共享(CC)受权,以确保更快更普遍地传布应用联邦基金开发的材料。

图10:EWD-PA在教育方面的推行

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踊跃的与大学停止交流与合作,并且少数研究院的引导机构也是由具有丰盛产业教训的大学领导,相关领域的技术专家作为和谐人,对产业有全体的把控能力,当局在其中表演的支持与调和脚色,太阳城菲律宾官方网。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独自运转,而是与产业深刻的穿插,构成产业推动教育、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学讨论关于中国制造业规划,感到“仿佛这个规划里将一切他们晓得的技术点都列了出来”。可是过于强调片面性,反而矫枉过正。

美国一切的制造创新研究院,都聚焦于产业化,将军方、大学与研究机构积淀的科研投入转化为商用市场的竞争力,经过产业生态体系的资本协同来降低产业成本与推进技术提高、制造技术的创新,有利于提升全部社会的资金效率。技术成熟度TRL/MRL等于一种无效的评价方式,美国制造创新院个别都聚焦在TRL4~7级,显明停止了弃取,但对应的是具有十分大的前景的技术应用领域。显然产业策略计划应当有所取舍,从TRL/MRL的角度来评估就是“有所为,有所不为”,辨认高技术领域的哪个环节作为创新中央的冲破口,是高端制造的政策规划者须要重点存眷的。

《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门结果,努力于研究美国制造创新研究院的运转机制和产业蓝海如何规划。波及进步制造14个领域。相干内容集结在《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鼎力支持,近期行将由《电子工业出版社》出版,敬请关注。涉及到若何创建产业同盟、经营创新中心、产业链规划的话题,欢送交换。 

作者:宋华振(贝加莱工业主动化市场司理,南山工业书院研究组,对各个产业的智能设备与工场集成有较深的意识,微信号:SeanXSong)

编审:林雪萍(南山工业书院发动人,北京联讯动力征询公司,微旌旗灯号:sinceaprilbj)