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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

2021年08月18日 淮北机械设备网

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

接近62%的能源被白白浪费

美国制造创新网络(目前称为MgfUSA)已经阐明了美国制造业规划的聚焦点在材料与能源。清洁能源智能制造CESMII中的清洁能源与能源互联网自不必说,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,本身也是为了降低能源消耗的问题。在美国第二个创新研究院“美国电力创新研究院” Power Amercia(PA)其关注点同样在于能源的问题。这是一个关于巨大的能源市场的创新中心。

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

图1:整体的能源转换效率约在38.4%

来源:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的能源评估

图1是美国能源部下属的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室对2013年美国的能源使用情况的评估,可以从图中看到,包括核能、火电、光伏、风力发电等各种能源方式在使用过程中都会有损耗,真正被用到的能源最终只能达到38.4%的平均值,这意味着大量的能源在转换过程中(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,不断提升能源效率是人类不断的追求。

宽带隙半导体登场

2015年1月,Power America成立,并获得总计1.4亿美元的5年期基金,这一计划将在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)联合领导并成立,瞄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),加速SiC和GaN的产业应用。PA工作在于通过社区协同来实现良好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、非凡的抗电压击穿能力、载流子飘逸速度,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指标

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(带隙的单位是电子伏特,数值越大意味着转换效率越高)

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