制造能耗變革從新一代半導體開始

　　接近62%的能源被白白浪費

　　美國制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(目前稱為MgfUSA)已經(jīng)闡明了美國制造業(yè)規(guī)劃的聚焦點在材料與能源。清潔能源智能制造CESMII中的清潔能源與能源互聯(lián)網(wǎng)自不必說，而在復合材料IACMI和輕量化研究院LIFT中都關注到了汽車減重設計，本身也是為了降低能源消耗的問題。在美國第二個創(chuàng)新研究院“美國電力創(chuàng)新研究院” Power Amercia(PA)其關注點同樣在于能源的問題。這是一個關于巨大的能源市場的創(chuàng)新中心。

　　圖1：整體的能源轉換效率約在38.4%來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的能源評估

　　圖1是美國能源部下屬的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室對2013年美國的能源使用情況的評估，可以從圖中看到，包括核能、火電、光伏、風力發(fā)電等各種能源方式在使用過程中都會有損耗，真正被用到的能源最終只能達到38.4%的平均值，這意味著大量的能源在轉換過程中(如生物能、化學能、機械能轉為電能、電力的轉換AC-DC-AC)有著大量的損耗，不斷提升能源效率是人類不斷的追求。

　　寬帶隙半導體登場

　　2015年1月，Power America成立，并獲得總計1.4億美元的5年期基金，這一計劃將在5年內(nèi)讓美國的Power Electronics功率電子領域獲得進步，并推進商業(yè)化進程。這是由北卡羅萊納州立大學和國防部(DoD)聯(lián)合領導并成立，瞄準更具成本競爭優(yōu)勢的寬帶隙半導體技術(WBG-Wide Band Gap)。這是一項基于SiC和GaN的功率電子(PE)，加速SiC和GaN的產(chǎn)業(yè)應用。PA工作在于通過社區(qū)協(xié)同來實現(xiàn)良好規(guī)劃但柔性的策略來加速開發(fā)工藝及設備。

　　表1可以看到，常用的硅基功率電子其帶隙值僅為1.12，而包括6H SiC和4H SiC以及GaN都具有大于3.0eV的帶寬，這些都屬于寬帶隙功率電子，相對于常用的硅基PE而言，WBG有更高的溫度適用范圍、非凡的抗電壓擊穿能力、載流子飄逸速度，這些都大幅度提升了功率電子器件在各個應用領域中的性能如功率密度、轉換效率，也成為了包括美國、德國、日本產(chǎn)業(yè)界的關注熱點技術。

　　表1：寬帶隙功率電子的帶隙指標

　　(帶隙的單位是電子伏特，數(shù)值越大意味著轉換效率越高)

　　相較于硅基功率器件，SiC和GaN具有帶隙方面的優(yōu)勢。當然鉆石也有更為卓越的特性，但是，成本會太高，因此，也不作為發(fā)展的重點考慮。由于寬帶隙WBG具有很大的應用前景和廣闊的應用領域，包括軍用電子、電動汽車、新能源、消費電子領域，這些都是未來具有巨大市場潛力的領域，這也是美國制造創(chuàng)網(wǎng)絡將其定義為關鍵發(fā)展領域的重要原因。并成立了Power America這個創(chuàng)新中心來引導該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　能源消耗無處不在，即使是“1%”的效率提升都意味著巨大的成本節(jié)省，在制造業(yè)70%的能源消耗來自于傳動設備，而如果這些AC-DC-AC的轉換過程中如果可以提高效率，也同樣對于制造業(yè)而言是巨大的成本節(jié)省。據(jù)了解類似于富士康這樣擁有百萬級員工的超大型制造企業(yè)每年的電費達到60億人民幣以上，僅1%的節(jié)省就達到6000萬人民幣。

　　表2：WBG功率器件的提升空間(相對于Si)

　　表2顯示了WBG功率器件相對于目前市場上占主導地位的硅基材料相比所能帶來的提升空間，可以看到其在轉換過程中給出了綜合的提升空間，這個僅從轉換效率提升空間進行對比，而WBG體積更小、工作溫度范圍更大、重量更輕都會給系統(tǒng)設計帶來很多綜合好處，例如：同樣功率輸出的體積、重量降低也會讓汽車更為節(jié)能、在軍用戰(zhàn)斗機上，占用空間小，也可以讓其它的設備變得更易于部署。

　　圖2：WBG功率電子具有的優(yōu)勢

　　圖2可以看到WBG的SiC和GaN相較于硅基功率器件的優(yōu)勢，高開關頻率會讓能源損耗較低，而溫度范圍的適應力則會帶來體積的縮小、寬帶隙與電場帶來更高的電壓運行能力。

　　當然技術細節(jié)并不是本文要關注的，而巨大的節(jié)能潛力才是關鍵。如果我們能夠節(jié)省空間大于10%的話，對于能源而言，這就會是一個巨大的投入，想象一下，中國未來希冀通過電動汽車來“彎道超車”，跨越歐美在汽油發(fā)動機領域的極高的門檻，那么WBG就應該是我們必須大力突破并投入應用的，制造業(yè)作為中國的重點戰(zhàn)略發(fā)展，而由于70%的制造能耗在電機傳動，顯然WBG的開發(fā)就對“中國制造”變得非常關鍵。

　　聚焦藍海市場

　　與之前對制造創(chuàng)新研究院的分析一樣，美國電力PA聚焦于具有廣闊應用前景的大市場，關注的是具有藍海特性的市場。既不能太過于在基礎研究院，也不必要在已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)進入完全競爭的市場。

　　對于寬帶隙WBG而言，其可適應的市場同樣較為廣泛，包括幾個大的方向，包括儲能設備、電動汽車、電機傳動幾個大的方向，當然也包括射頻天線等應用市場。

　　圖3：SiC和GaN的應用市場預期

　　圖3列舉了包括汽車電子、混合動力汽車/電動汽車傳動、UPS電源、新能源如光伏/風電的逆變、高鐵機車、消費電子、工業(yè)傳動市場等重要的功率器件應用市場。

　　圖4：SiC目前的市場進展

　　圖4是來自注明的Yole開發(fā)公司關于WBG市場的研究報告，SiC在市場的推進時間，改圖顯示了WBG目前的市場狀態(tài)，SiC和GaN技術的確是比較新興的技術，SiC較早而GaN則是最近幾年才開始進入市場。用于電網(wǎng)的功率因素校正是比較早，接著在光伏逆變領域、鐵路的變流器、UPS這些領域，在電動汽車領域目前還在研發(fā)階段，包括歐洲的汽車制造商也尚未將SiC和GaN技術投入應用。

　　圖5：IHS對WBG市場的整體預測來源：IHS 2015年報告

　　圖5是來自于國際知名咨詢機構IHS對WBG的未來市場預測，可以看到總體會在2025年達到36億美元的市場規(guī)模，從趨勢上看在2014-2025年這個十年的時間里，WBG將會有較大的市場成長空間。

　　圖6：SiC市場的主要制造商

　　由圖6可以看到英飛凌、科凌CREE(功率電子部分已經(jīng)賣給英飛凌)是最為主要的SiC市場器件提供商在大功率領域具有較強的優(yōu)勢，而在SiC應用領域里包括了三菱、東芝、日立、松下等日本廠商。

　　美國創(chuàng)新院PA的工作

　　了解到WBG技術、WBG的市場應用方向后，就可以明白PA因何聚焦在WBG功率電子技術，因為這符合美國制造創(chuàng)新網(wǎng)絡的主旨思想，“要去開發(fā)未來廣闊的商業(yè)化市場，并通過生態(tài)系統(tǒng)建設讓美國在該產(chǎn)業(yè)領域具有全球領先的競爭力”。

　　在PA的目標設定中，分為3年、5年和10年計劃，將WBG逐漸產(chǎn)業(yè)化，從低壓、中壓到高壓設備，并通過創(chuàng)新中心的努力最終達到50%的成本降低。如圖8所示，PA定義了未來達到在大于10kV的設備上采用WBG。

　　圖7：PA創(chuàng)新中心的目標設定

　　而圖8是PA實現(xiàn)這一目標的路線圖，因為目前WBG的成本還是比較高的，相對于硅基的功率電子器件仍然有大約5倍的成本，并且WBG功率器件的穩(wěn)定性尚待提高，包括與之匹配的測試、驗證系統(tǒng)都還不成熟，因此，WBG的路線圖通過生態(tài)系統(tǒng)的合作，使得新技術可以為用戶所接受，并通過采用WBG研發(fā)產(chǎn)品進而推進其技術的進步與規(guī)模效應帶來的成本下降。

　　圖8：PA的技術路線圖

　　如同很多其他的創(chuàng)新研究院一樣，PA的技術路線圖也是通過一家咨詢公司，提供前期的技術文獻整理、專家訪談，并制定了四個主要推動力和路線圖。

　　圖8：PA優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃

　　針對產(chǎn)業(yè)鏈的過程，各個階段也由PA定義了各自的分工協(xié)作內(nèi)容，如圖9所示。

　　在其成員中，出乎意料的是，美國頭號軍火商洛克希德.馬丁是其最重要的會員，每年繳納年費50萬美元，成為全面支持會員。這充分反應了美國軍火制造商對寬帶隙電子的重視。其他成員WolfSpeed(最早是美國科瑞公司的功率電子事業(yè)部，去年已經(jīng)賣給德國英飛凌)、美國農(nóng)業(yè)機械常青樹約翰迪爾、雷神、ABB等公司。

　　希望中國的功率電子器件廠商也可以通過產(chǎn)業(yè)合作可以能夠在全球的市場競爭中占有一個重要的角色，中國產(chǎn)業(yè)最大的好處在于有巨大的市場給我們進行測試，這種優(yōu)良條件是非常明顯的，工業(yè)技術最大的困難往往在于如何讓產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場的實際應用考驗不斷發(fā)現(xiàn)問題，并不斷進行質(zhì)量的迭代，包括在應用技術的提升，一方面，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，國家需要創(chuàng)造條件給予企業(yè)測試的機會，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作用就是由其中比較優(yōu)勢的終端企業(yè)來提供產(chǎn)業(yè)里創(chuàng)新型企業(yè)的應用機會。產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應即通過這種企業(yè)互聯(lián)，形成知識共享、測試條件分享、商業(yè)機會互通的條件，創(chuàng)新就必須敢于試錯，給予試錯企業(yè)機會。

　　勞動力不要丟

　　美國制造創(chuàng)新研究院的教育和勞動力發(fā)展(EWD)部門，重點領域的使命是協(xié)助學術界和工業(yè)界的教育工作者和培訓人員為學生和專業(yè)人士建立職業(yè)道路，進入下一代電力電子工業(yè)，采用寬帶隙半導體技術。 PowerAmerica社區(qū)有一個獨特的機會，激發(fā)年輕人從學前到大學階段，了解這項技術對個人，社會和環(huán)境層面的有意義的影響，以及年輕人在促進這項技術方面的關鍵作用。教學實驗室和相關實驗，專注于應用的選擇和包括將信息牢固地融入知識的設計項目：例如短期課程 - 長達1/2天到3天，是WBG主題目標模塊。

　　而在美國電力創(chuàng)新院PA的項目征集書中，教育與勞動力方向，也是有眾多的項目供學術界和產(chǎn)業(yè)界的人員申請。例如其中一個基于GaN和SiC的設備設計與工藝文檔，就提供了5萬美元的資助，鼓勵團隊申請。

　　EWD特別感興趣的是由多學科和跨機構合作創(chuàng)建的項目，并且高度鼓勵所有提交的作品都使用新的創(chuàng)新形式的教學設計，教學交付，并強調(diào)多種移動平臺。而在線材料也必須遵守美國殘疾人法案PA可以協(xié)助這些要求。

　　PA會將項目所開發(fā)的材料“出版”，不會收取出版費或頁面費用。當然，PA要求將版權轉讓給PA，但將允許個人或機構用于其他目的——只要PA的LOGO在所批準的位置顯著地顯示即可。此外，教育和勞動力材料必須在國家范圍內(nèi)推出，鼓勵研究所使用知識共享(CC)授權，以確保更快更廣泛地傳播使用聯(lián)邦基金開發(fā)的材料。

　　圖10：EWD-PA在教育方面的推廣

　　教育與勞動力開發(fā)是美國制造創(chuàng)新研究院的三大戰(zhàn)略主線之一，每個創(chuàng)新研究院都會積極的與大學進行交流與合作，并且多數(shù)研究院的領導機構也是由具有豐富產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗的大學領導，相關領域的技術專家作為協(xié)調(diào)人，對產(chǎn)業(yè)有整體的把控能力，政府在其中扮演的支持與協(xié)調(diào)角色。教育與勞動力開發(fā)必須成為制造業(yè)的并行工程，而且，這種并行不是教育勞動部門單獨運行，而是與產(chǎn)業(yè)深入的交叉，形成產(chǎn)業(yè)推動教育、教育推動產(chǎn)業(yè)的良性互動。

　　創(chuàng)新中心要有所不為

　　近期與一位臺灣的大學教授探討關于中國制造業(yè)規(guī)劃，感覺“似乎這個規(guī)劃里將所有他們知道的技術點都列了進去”?？墒沁^于強調(diào)全面性，反而過猶不及。

　　美國所有的制造創(chuàng)新研究院，都聚焦于產(chǎn)業(yè)化，將軍方、大學與研究機構沉淀的科研投入轉化為商用市場的競爭力，通過產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的資源協(xié)同來降低產(chǎn)業(yè)成本與推進技術進步、制造技術的創(chuàng)新，有利于提升整個社會的資金效率。技術成熟度TRL/MRL即是一種有效的評估方式，美國制造創(chuàng)新院一般都聚焦在TRL4~7級，明顯進行了取舍，但對應的是具有非常大的前景的技術應用領域。顯然產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃應該有所取舍，從TRL/MRL的角度來評價就是“有所為，有所不為”，識別高技術領域的哪個環(huán)節(jié)作為創(chuàng)新中心的突破口，是高端制造的政策規(guī)劃者需要重點關注的。