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提高太陽能轉換效率 節能功率半導體助臂力

2011/3  林苑卿
2011年,各界預期太陽能產業將先蹲後跳,亦即仍會維持向上成長態勢,展望太陽能前景可期,功率半導體供應商無不卯足全力分食市場大餅,除火紅的太陽能逆變器關鍵元件MOSFET、IGBT等外,能再大幅提升轉換效率的新功率半導體材料與電源管理解決方案將競出籠。
再生能源夯,吸引電源晶片業者趨之若鶩,如2010年12月下旬,在英飛凌(Infineon)領軍及德國聯邦教育與研究部(BMBF)資助下,NEULAND研究計畫集結六家半導體和太陽能業者,發展有效利用再生能源電力的新途徑,目標為在不顯著增加系統成本的條件下,減低電力於進入供電網路的損耗,如太陽能面板發電效率已達極限,若欲提升1%效率,所須耗費的資金高昂,遂使逆變器的角色吃重,因而成為功率半導體供應商兵家必爭之地。  

根據英飛凌公布的資料顯示,目前NEULAND計畫已可減少光電逆變器能損達50%,此借助於碳化矽(SiC)與矽基板氮化鎵(GaN-on-Si)製程的創新半導體元件,未來亦可用於桌上型與筆記型電腦、平面電視、伺服器、電信系統的開關式電源供應器零件。預期將有更多半導體業者爭相進駐此一領域。  

功率半導體在提升涵蓋從發電、配電至最終耗電的電力供應鏈節能效率上,重要性與日俱增。面對能源需求不斷攀升,功率半導體則有助於充分利用經由風力或太陽輻射能所產生的電力,同時盡量減少能源在傳送過程中的耗損,預期2011年將會有更多強化能源轉換效率的功率半導體解決方案在市面上輪番上陣。  

趕搭太陽能熱潮 英飛凌押寶SiC/GaN-on-Si  

為減少二氧化碳排放量,太陽能、風力發電等綠色能源趁勢崛起,英飛凌主導的NEULAND研究計畫,即針對以SiC與GaN-on-Si開發出適用於太陽能及其他綠色能源、個人電腦(PC)、網通、無線通訊、顯示器等應用領域的節能、低成本、簡易使用、高可靠度及相容於既有製造晶圓製造技術的功率半導體,確保能源以合理價格供應。  

圖1 台灣英飛凌協理田經曾指出,儘管產業界各自押寶SiC和GaN-on-Si,英飛凌仍不會改變並進研發的初衷。
台灣英飛凌協理田經曾(圖1)表示,NEULAND研究計畫預定於2013年中完成SiC和GaN-on-Si在省能/低成本、簡化下游應用使用、高穩定性與可承接現有晶圓製程技術四大項目探究,待四大項目通過試驗後,功率半導體產品即可望上市。 由於能源消耗量與日俱增,需要新的功率半導體材料以符合降低功率消耗的要求,加上SiC與GaN-on-Si兩大功率半導體材料在產業界各有擁護者,遂使英飛凌登高一呼,且在德國聯邦教育與研究部的資助下,發展利用寬能隙化合物半導體,提供高效能、低成本效益的創新再生能源電源裝置。田經曾強調,SiC及GaN-on-Si各有利基市場,因此英飛凌皆會深入研發,未來主要係使用在再生能源領域,初期則以太陽能為主力市場,同時亦會探索其他SiC與GaN-on-Si適用的開關式電源供應器應用領域。  

現階段,結晶矽太陽能面板成本比重頗高,然發電效率僅20∼30%,田經曾指出,逆變器占太陽能系統成本比例較小,然更節能的電源效率可達97∼99%,故若將逆變器的損耗降低50%,則有助於太陽能系統市場普及度。  

NEULAND意指利用寬能隙化合物半導體,提供具備高效能和成本效益的創新電源裝置,目標在不顯著增加系統成本的條件下,減低電力於進入供電網路的損失。該計畫將持續至2013年年中,並由德國聯邦教育與研究部撥款約470萬歐元,其占整體資金計畫的52.6%,其匯集AIXTRON、SiCrystal、AZZURRO、MicroGaN、SMA等半導體設備、晶圓製造商、太陽能技術公司等。  

SiC材料已應用於蕭特基(Schottky)二極體,其存在於市場已達約10年之久,有利於讓開關式電源供應器進行電流電壓轉換時,減少大量的能源消耗,主要應用於PC、電視、太陽能逆變器與馬達驅動器的開關式電源供應器。目前GaN材料主要用於白光發光二極體(LED),多項關於GaN能否應用於能源領域研究探討始於2006年,英飛凌稱,NEULAND計畫將揭櫫GaN元件於可靠性、易於使用、成本等方面的表現可與SiC元件匹配,甚至略勝一籌的應用領域,此有助於降低能損、提升消費性電子產業的能源效率。  

不僅是英飛凌正大張旗鼓地展開SiC、GaN的高頻寬(Wideband Gap)功率半導體元件研發,快捷(Fairchild)亦規畫從高頻寬功率半導體解決方案的材料著手,欲進行長期性的投資。  

圖2 快捷資深副總裁金台勛表示,快捷緊隨著太陽能變流器市場不斷演進的新興技術趨勢,開發專用的功率半導體產品。
快捷資深副總裁金台勛(圖2)認為,高頻寬半導體已為提升高階光電變流器效能的大勢所趨,目前工業電源、油電混合車和太陽能變流器領域的功率因數校正器(PFC),皆為SiC蕭特基二極體的最主要應用,快捷將從長遠的角度進行高頻寬半導體解決方案的企畫和開發。  

太陽能方興未艾,激勵太陽能逆變器需求大增,帶動絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)市場規模擴大,吸引半導體業者積極布局。  

看準太陽能龐大商機,2008年6月,美國國家半導體(NS)即宣布研發出全新的太陽能發電技術SolarMagic,該公司表示,無論太陽能系統採用哪種電池技術,SolarMagic技術可降低高達71%的電能損失,即使排列在一起的電池板有部分被陰影遮蔽、積藏碎片或板與板間無法互相協調,發電系統仍可發揮最高的效率。SolarMagic系列產品已於2009年6月於歐洲、北美市場問世,應用範圍包括住宅、商業大樓及太陽能發電場(Solar Field)等市場。  

避免太陽能系統被陰影影響發電量 NS祭出SolarMagic技術 

著眼於安裝於屋頂的太陽能裝置易面臨如樹木、煙囪、護欄或樹葉造成的局部或短暫時間陰影遮蔽,抑或太陽能電池板間輸電不匹配導致發電量下跌的弊病,美國國家半導體已開發出可提高太陽能系統電池板發電量的電源優化器SolarMagic,藉此提高家用太陽能裝置的投資報酬率。  

圖3 美國國家半導體台灣區總經理高永極指出,太陽能電源管理為美國國家半導體鎖定的新興市場,將會積極掌握關鍵客戶群,推廣銷售。
美國國家半導體台灣區總經理高永極(圖3)表示,美國國家半導體的太陽能模組與晶片解決方案已與特定的太陽能系統、面板及模組客戶接洽當中,2011年將會挹注該公司的營收貢獻。  

美國國家半導體台灣區業務處長林漢恭透露,美國國家半導體亦與台積電、聯電、台達電等業者接洽,未來太陽能模組和晶片解決方案將分別針對不同技術能力的客戶供應所需服務。  

美國國家半導體開發SolarMagic技術的目的是提升太陽能系統的發電量。由於太陽能模組受其本身的特性所限,因此每當遇到實際的環境問題,例如樹木、煙囪、護欄或樹葉的陰影遮蔽時,系統的發電量都會大幅下跌。具體來說,系統只要有10%以下的太陽能電池板板面被陰影遮蔽,其發電量便會大幅下跌高達50%,大大影響家庭用戶的投資報酬率,導致無法擴大市場普及率。根據該公司委託市調機構進行的一項調查顯示,在美國有54%的太陽能系統安裝公司表示太陽能系統絕對不能被陰影遮蔽,而有41%的安裝公司則表示在銷售或安裝太陽能系統時通常都會遇到陰影問題。  

繼開發出SolarMagic後,美國國家半導體隨即馬不停蹄地展開與太陽能系統、面板及模組廠商大規模的合作計畫,2009年6月,則與全球最大的矽晶體太陽能發電模組生產商尚德簽訂合作意向書,並與北美洲最大的太陽能服務供應商SunEdison LLC攜手進行一連串提升太陽能系統發電量的現場測試。尚德將評估美國國家半導體的SolarMagic技術,希望共同攜手推動這種技術及開發新一代的解決方案。  

此外,2009年3月,美國國家半導體宣布購併太陽能電源管理解決方案公司Act Solar,專注於為商業及公用事業的太陽能發電裝置提供電源管理解決方案,透過該公司專為太陽能陣列(Solar Arrays)而設計的全新太陽能系統診斷和電池板監控技術,可進一步擴大美國國家半導體的最佳化電源管理技術產品線。  

2010年6月,美國國家半導體推出太陽能面板專用的SolarMagic晶片組SM3320,並發表全新類型產品--智慧型太陽能發電系統,目前在太陽能系統的轉換器與接線盒,美國國家半導體的電源管理電路擁有近三分之二的市占率,已有眾多太陽能系統利用SolarMagic電源優化器監控及管理整個系統的作業,這些系統的發電量共100MW以上。不旋踵,該公司與潔淨和可再生能源的系統解決方案供應商Shoals Technologies Group成功開發首款採用SolarMagic的Shoals智慧型接線盒。此外,美國國家半導體與太陽能產品及服務供應商Green Energy Solar攜手開發出以GESOLAR為品牌名稱的模組式太陽能光電板,這款太陽能產品的特點即是採用SolarMagic電源最佳化技術。  

美國國家半導體並與生產太陽能發電裝置連接系統商快可光伏(QC Solar)簽訂一項銷售協定,雙方同意將SolarMagic電源優化器整合到快可光伏的SmartTrack產品內,其中包括智慧型的接線盒。  

雖然2010年全球太陽能產值大幅提升73%,成長力道相當強勁,卻也導致逆變器關鍵元件IGBT供不應求。不讓東芝(Toshiba)、快捷等晶片商專美於前,新進業者安森美(On Semiconductor)已展開部署,除設立IGBT部門之外,更將持續開發新產品積極搶市。  

太陽能逆變器缺貨 晶片商搶推IGBT/MOSFET 

圖4 安森美大中國區解決方案工程中心總監張道林強調,有別於其他應用領域,太陽能用功率半導體對於轉換效率要求更嚴苛,至少要達85%以上。
安森美大中國區解決方案工程中心總監張道林(圖4)表示,受惠於太陽能逆變器需求量激增,激勵關鍵元件IGBT需求上揚,為爭取更大的市占,2009年安森美特別成立IGBT部門,專注於開發更低導通損耗、更高轉換效率的IGBT,未來將挹注更多資金,透過新產品輪番上陣,提高營收。  

繼第一代IGBT後,安森美第二代IGBT已問世,更強調低導通損耗與高轉換效率性能,張道林不諱言,安森美進軍太陽能領域才剛起步,因此目前太陽能應用領域的營收仍不高。  

除了IGBT之外,安森美針對太陽能領域的電源產品線包括MOSFET、整流二極體、脈衝寬度調變(PWM)、最大功率點追蹤(MPPT)及應用於太陽能LED路燈的LED驅動IC,其中,MOSFET與整流二極體皆可用於升壓迴路,而MOSFET、PWM和MPPT則用於充電控制。  

除了NEULAND計畫外,英飛凌標榜高效率、簡單易用的高壓MOSFET系列產品CoolMOS,在功率半導體產業界已夙負盛名,太陽能逆變器亦為該系列產品鎖定的主力市場之一。CoolMOS已獲高雄足球場的太陽能系統採用,據悉,該座太陽能發電廠可產生110萬千瓦小時的電力,每年可節省660公噸的二氧化碳。該公司目前正計畫推出新一代650伏特的CoolMOS CFD2,為650伏特漏源電壓與整合式快速回復特性等效二極體的高壓電晶體,號稱兼具輕負載效率、降低閘端電荷、易於建置及可靠性,同樣瞄準太陽能逆變器、伺服器、LED照明與電信設備市場。  

田經曾指出,2010年全球太陽能系統裝置量激增,帶動逆變器需求水漲船高,儘管台灣在全球逆變器市占偏低,然成長率卻迅速攀升,尤其在市場對於性價比要求將更加嚴苛之下,致使台商的機會大增,英飛凌已為台灣逆變器業者的主要功率半導體元件供應商。  

現今,CoolMOS系列產品已開發至第六代,全新的650伏特CoolMOS C6/E6,係結合先進超接面(Super Junction),具備低導通電阻、降低電容切換損失、簡單易用的切換控制及高度耐用的二極體優勢,適用於筆記型電腦的變壓器、太陽能及其他需要額外擊穿電壓電位差的交換式電源供應(SMPS)。相較於前一代產品,CoolMOS C6/E6可減少儲存電力達20%,在經過本體二極體改良後,在對抗硬式整流(Hard Commutation)時,顯示高度的耐變性,並可減少25%的逆向回復電荷。此外,該產品的閘極電阻經過調整,設計能夠維持平衡,因此切換時不會出現過電壓和電流斜率。  

太陽能逆變器熱銷,帶動MOSFET、IGBT需求看漲。
針對太陽能功率半導體元件市場,快捷擁有高電壓超接面MOFET、中電壓MOSFET、場截止IGBT、整流器等。對於15kW以下的太陽能逆變器市場,快捷主推場截止IGBT和超接面MOSFET離散式解決方案,金台勛透露,新一代產品SuperFET2和場截止溝槽式IGBT將會在2011年相繼上市。該公司600伏特超接面和中電壓MOSFET採用電荷平衡技術,可提供比競爭對手的產品更低的傳導損耗和開關損耗,能夠使功率轉換系統獲得相當高的效率。600伏特、1,200伏特場截止IGBT具有更低的拖尾電流,使在相同的關斷損耗開關損耗(Eoff)下得到更低的飽和電壓Vce(sat),或更低的Eoff,同時又能夠保持非穿孔式(NPT)特性,如正溫度系數、穩定散熱特性和簡便的平行操作等。  

新功率元件材料出爐 電源晶片商開闢新戰局 

以目前太陽能系統的價格觀之,投資回報期往往長達7`8年之久,而政府的推動政策有效期和太陽能系統壽命可確保使用期長達20年以上,投資報酬率每每取決於每年太陽能系統的發電量,因此市場對於更高轉換效率、可靠及壽命長的太陽能系統需求更加殷切,為確保最大化的發電量,僅占太陽能系統總成本10%的太陽能逆變器重要性突顯。  

顯而易見的是,太陽能逆變器關鍵元件--功率半導體元件市場已為外商所把持,然隨著太陽能普及率提升,彼此間的市場較勁更趨白熱化。在MOSFET、IGBT等功率半導體市場煙硝瀰漫之際,不少半導體業者已選擇加碼投資布局,但亦有部分半導體業者計畫另闢蹊徑,如英飛凌正試圖透過研發新的功率半導體材料搶占更大的綠色能源與開關式電源應用版圖,隨著功率半導體新材料問世,勢必衝擊既有電源管理市場的排名。面對功率半導體產業的山雨欲來,其他電源半導體業者是否將會祭出因應對策,抑或導致現有市占率的縮水,仍是未知數,然可以預期的是,未來太陽能逆變器的功率半導體市場競爭將愈演愈烈。

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