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奥巴马政府宣布正式成立“下一代电力电子制造创新学院”

 

发布时间:2014-02-26

 
 

2014年1月15日,奥巴马政府宣布正式成立“下一代电力电子制造创新学院”(Next Generation Power Electronics Manufacturing Innovation Institute)(简称NGPEMII)。这是美国国家制造业创新学院(NNMI)提出设立的第4家创新学院,位居国家“增材制造业创新学院”(现已更名为“美国制造”)、“数字化制造和设计创新”(DMDI)机构、“轻量制造和现代金属制造创新”(LM3I)机构之后。“下一代电力电子制造创新学院”将由美国北卡罗来纳州立大学领导,汇集超过25家公司、大学及州和联邦机构,致力于发明和制造具有成本竞争力及比现有硅技术强大10倍的宽禁带(WBG)半导体电力电子器件。为促进“下一代电力电子制造创新学院”的技术研发,在五年内,美国能源部将投资7000万美元,同时非联邦政府机构(包括企业、大学等)将提供至少7000万美元的匹配资金。


一、“下一代电力电子制造创新学院”的主要成员

目前,“下一代电力电子制造创新学院”的主要成员包括18家企业,7家大学和实验室。其中,企业包括一些世界领先的宽禁带半导体制造商,世界领先的材料制造商,重要的最终用户(如约翰·迪尔公司、德尔福汽车公司等)。

18家企业主要包括:ABB公司、阿肯色(Arkansas)电力电子国际公司、Avogy公司、Cree公司、约翰·迪尔公司(Deere & Company)、德尔福(Delphi)汽车公司、台达(Delta)产品公司(全球知名的电源管理产品生产商)、DfR Solutions公司(电子行业质量、可靠性与耐用性解决方案供应商)、GridBridge公司、黑森机电(Hesse Mechatronics)有限公司、贰陆(‖-Ⅵ)公司(全球知名的光学元件和材料生产商)、IQE公司(硅片供应商)、Monolith半导体公司、RF微器件公司(高性能射频组件以及复合半导体技术设计和制造领域的全球领导者)、东芝国际公司、Transphorm公司、United Si Carbide公司、Vacon集团(全球领先的变频驱动及逆变器产品制造商)。

7家大学和实验室主要包括:北卡罗来纳州立大学、亚利桑那州立大学、佛罗里达州立大学、美国国家可再生能源实验室(NREL)、加州大学圣巴巴拉分校、美国海军研究实验室、弗吉尼亚理工学院和州立大学。


二、“下一代电力电子制造创新学院”的主要活动

“下一代电力电子制造创新学院”将为新产品和工艺技术、教育和培训发展提供创新基础设施,致力于成为宽禁带半导体器件和行业相关工艺开发的全球卓越中心。“下一代电力电子制造创新学院”的总部将设在北卡罗来纳州立大学百周年校园。这所大学也将联合一些研究机构共享研究和开发设施及检测设备,以及劳动力发展和教育计划。

“下一代电力电子制造创新学院”将为企业提供贯穿电力电子供应链的共用设施、设备、测试和建模服务,特别是为小型和中型制造业企业,以帮助它们发明、设计和制造新的半导体芯片和器件。该机构还将为芯片设计和制造商与大型电力电子制造商和供应商提供市场供需配对,如约翰·迪尔公司和德尔福汽车公司,加快这些技术推向市场的速度,并向美国劳动者提供培训、高等教育课程和实习机会,以满足宽禁带半导体产业发展需求,保持美国在该产业领域的全球竞争力。


三、“下一代电力电子制造创新学院”的聚焦重点

“下一代电力电子制造创新学院”主要聚焦于发展宽禁带(WBG)半导体电力电子技术。在上个世纪,硅半导体电力电子,通过控制或将电能转换成可用的电力,深刻改变了计算、通信和能源行业,给消费者和企业带来了越来越强大的笔记本电脑、手机和电动机。今天,宽禁带(WBG)半导体为电力电子产业的发展提供了使用更少的电力、实现前所未有性能的新机遇。宽禁带(WBG)半导体,如碳化硅和氮化镓可以在较高的温度下工作,并具有更高的耐用性和可靠性更高的电压和频率。有了这项新技术,我们可以把笔记本电脑电源适配器的体积缩小1/5,同时提供更好的性能并降低能耗20%左右。一个典型的笔记本电脑,墙壁插座上输出功率的1/4被以余热形式散失掉,而宽禁带(WBG)半导体可以把这些电源转换损失减少90%。宽禁带(WBG)半导体也将改变插电式电动汽车产业发展,使消费者可以更容易、更便宜的拥有和驾驶电动汽车。如,宽禁带半导体可以把车辆冷却系统的大小减少约60%,并把直流快速充电站缩小到与厨房用微波炉一样大小。

随着清洁能源技术成本的持续下降,无缝、高效的电网整合将有助于清洁能源资源和产品更加实惠,同时也让更多的美国人在家庭和企业使用这些能源。宽禁带(WBG)半导体将有助于克服一系列发电、输电、配电和最终使用的挑战,以建设一个更智能、更可靠、更具弹性的21世纪电网。电力电子,如逆变器、变压器和晶体管等,帮助控制和转换电能,在发电、配电和输电领域发挥的作用越来越大。美国橡树岭国家实验室的一项研究表明,在电力产生端与最终应用领域之间,大约30%的电力电子被用于发电。到2030年,这个数字预计将增长至80%,以支持更多的可再生能源的整合,并提高电网的可靠性。宽禁带(WBG)半导体电力电子将能够更好地承受电力负荷并提供新一代实用技术所需的开关频率。使用宽禁带半导体的电力电子器件也将变得更小,更高效,成本更加低廉。一个宽禁带半导体逆变器,它把电力从直流电转换成交流电,可以是传统逆变器性能的4倍以上,同时成本和重量分别减少1/2和1/4。对于较大规模的逆变器,宽禁带(WBG)半导体逆变器的重量可以减轻8000磅(约合3628.7公斤)左右;变电站减轻100磅(约合45.4公斤)左右,并缩小到手提箱大小,这最终有助于降低电力成本,并建设一个更强大、更可靠的电网系统。

一般而言,宽禁带(WBG)半导体的应用领域主要包括以下三个方面,即工业电动机系统、消费电子和数据中心以及太阳能、风能等能源的转换(见图1)。

 

第一,工业电动机系统。今天,电机系统的使用占美国制造业消耗总电力的70%左右。一些大的电机系统可以使用变频驱动(VFD)来动态调整电机转速,以符合功率要求,节约能源。更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可以扩大变频驱动范围,每年节省的电力可以供690万户美国家庭使用。

第二,消费电子和数据中心。今天,用于数据中心和消费类电子产品(如笔记本电脑、智能手机和平板电脑)的电源转换器占美国电力消耗总量的近4%,同时这些设施和产品的电力需求还在持续上升。笔记本电脑上的小型转换器是用来把插座上的交流电转换成直流电源,以满足电脑需求。同样地,数据中心也需要转换功率,以满足现代数据中心不同部件的需要。宽禁带(WBG)半导体芯片可以消除整流器在执行这些转换时90%的能量损失。宽禁带(WBG)半导体电力电子技术在消费电子和数据中心的使用每年可节约足够的电力供170万户美国家庭使用。

第三,可再生能源的转换。风力涡轮机和太阳能光伏发电系统所产生的电力必须首先从直流电转换成交流电,继而再与电网相连接。宽禁带(WBG)半导体芯片可以在逆变器中提供上述转换需求。更高效的宽禁带(WBG)半导体电力电子可以为太阳能和风能的转化节省足够的电力供美国75户家庭使用。
 

 

 图1  宽禁带(WBG)半导体的应用领域示意图

 资料来源:美国能源部能源效率与可再生能源办公室下属的先进制造办公室

【专栏1】 宽禁带半导体:革命性的电力电子材料

半导体是一种能够使电力比绝缘体更容易流动的材料,但不如导体。该属性使得半导体对于制造电力电子芯片极为有用。电力电子芯片是用来控制和转换电能(即按照各种设备和应用程序要求调整电压、电流和频率)的重要部件。宽禁带(WBG)半导体的带隙显著大于硅半导体,从而有效减少电子跨越的鸿沟,更容易控制电流和减少能源损耗。

与硅半导体相比,宽禁带(WBG)半导体可以在更高的电压和功率密度条件下运行。此外,这些功能强大的宽禁带(WBG)半导体可以在更高的频率下工作,这有助于简化电路系统和降低系统操作成本。宽禁带(WBG)半导体的耐热性比硅半导体要强很多。因此,宽禁带(WBG)半导体电力电子芯片可以在苛刻的条件下操作,而不降低半导体材料性能。宽禁带半导体比硅半导体更大的热耐受性(宽禁带半导体为300℃,而硅半导体仅为150℃)减少了电力电子器件所需的、笨重的绝缘和附加冷却设备,从而允许电力电子器件更加紧凑的系统设计。总体而言,宽禁带半导体的上述优良性能将使得技术开发人员在未来数十年内设计制造更紧凑、高效、可靠及可负担得起的电力电子产品。

文章来源:“上海情报服务平台www.istis.sh.cn”。