白皮书 | 华为：未来十年第三代功率半导体创新加速
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作者:chipnews
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发布时间: 2021-10-14
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近期，华为发布了《数字能源2030》白皮书。该白皮书指出，在当前环境下，控制温室气体排放，共同拯救人类家园，控制传统化石能源应用刻不容缓。与此同时，世界各国正把发展可再生能源作为未来能源战略的重要组成部分。为了促进可再生能源发展，许多国家制定了相应的发展战略和规划，明确了可再生能源发展目标。制定了支持可再生能源发展的法规和政策。
近期，华为发布了《数字能源2030》白皮书。该白皮书指出，在当前环境下，控制温室气体排放，共同拯救人类家园，控制传统化石能源应用刻不容缓。与此同时，世界各国正把发展可再生能源作为未来能源战略的重要组成部分。为了促进可再生能源发展，许多国家制定了相应的发展战略和规划，明确了可再生能源发展目标。制定了支持可再生能源发展的法规和政策。
华为在白皮书在强调：“电力电子技术和数字技术成为驱动能源产业变革的核心技术”。白皮书指出，电力电子在电能发输配用的各个环节发挥关键价值。风电、光伏等可再生能源的用途主要是发电，构建以电能为中心，以电网为纽带，以电力电子设备为基础的能源系统是能源产业变革的方向。电力电子设备的优点在于其接口不受限、响应速度快、变换效率高，在电力的生产、传输、消费环节应用广泛。a） 在电力生产方面，风电、光伏新能源这些不同于常规同步发电机的电源，难以直接并网输送，只能采用电力电子变换技术换成频率可调节的交流电，且需要满足上网的质量要求，如光伏逆变器、风能变流器等通过电力电子开关调整电压波形，支持风电、光伏发电并网和提高系统发电效率。b） 在电力传输分配方面，长距离输电形式使用智能化的大功率电力电子装备，可以显着提升线路输送水平、改善潮流分布、增强电网供电可靠性，提升电网安全防御能力，从而提高大型电网互联传输的安全可靠性，提升传输效率。c）配电场景中，随着大量分布式电源、微电网和柔性负荷接入配电网，“即插即用”的接入要求越来越高，线路无功功率增大，电网高电压、谐波干扰等电能质量问题日益突出，传统配电网电能质量和供电可靠性提升空间有限，难以满足用户高电能质量用电需求。多功能电力电子变压器、直流断路器、直流开关等电力电子装备可以保障不同负荷类型的电能质量和多种电能形式的定制需求。d） 在电力消费方面，最主要的变化是分布式电源和储能装置的接入，大量新型负荷需要直流电源以及需要主动支撑源荷互动，如数据中心、通信基站、电动汽车充电站、计算机设备、LED照明等，高效率，高功率密度，高可靠性，低成本的转换电源和开关设备等正满足用户日益多样的个性化需求和高标准的电能质量治理需求。新型功率半导体应用需求大幅提升。未来的能源系统以可再生能源最大限度地开发利用、能源效率最高为目标，对能源输送和控制的安全、高效、智能等方面提出更高的要求，具体包括适应新能源电力的输送和分配的网络，与分布式电源、储能等融合互动的高效终端系统，与信息系统结合的综合服务体系等。这些都需要通过电力电子化设备进行运行、补偿、控制。目前这些设备中所使用的基本都还是硅基器件，而硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，无法担负起未来大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任，节能效果也接近极限。白皮书强调，以碳化硅为代表的第三代半导体功率芯片和器件，以其高压、高频、高温、高速的优良特性，能够大幅提升各类电力电子设备的能量密度，降低成本造价，增强可靠性和适用性，提高电能转换效率，降低损耗。光伏、风电等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车、轨道交通、工业电源、民用家电等领域具有极大的电能高效转换需求，而新型功率半导体在则适应了这一需求趋势，未来十年是第三代功率半导体的创新加速期，渗透率将全面提升。如碳化硅的瓶颈当前主要在于衬底成本高（是硅的4-5倍，预计未来2025年前年价格会逐渐降为硅持平），受新能源汽车、工业电源等应用的推动，碳化硅价格下降，性能和可靠性进一步提高。碳化硅产业链爆发的拐点临近，市场潜力将被充分挖掘。据Yole预计，碳化硅器件应用空间将从2020年的6亿美金快速增长到2030年的100亿美金，呈现高速增长之势。我们预计在2030年光伏逆变器的碳化硅渗透率将从目前的2%增长到70%以上，在充电基础设施、电动汽车领域渗透率也超过的80%，通信电源、服务器电源将全面推广应用。能源进入数字能源时代，绿色低碳、数字智能，多流合一未来十年，传统化石能源发电的主力地位将逐步动摇，风电、光伏、水电等可再生能源将成为新增能源主力。消费侧电气化进程加速，电动汽车、氢能、储能、热泵、储热等技术快速发展，交通、供暖等用能终端电代油、代气、代煤的步伐不断加快。能源系统将接入越来越多的高级“插件”，信息流和能源流充分融合形成一个能源云“操作系统”，联接能源生产和能源消费，促进源、网、荷、储、人等各能源参与方互联互通，真正实现互联网式的双向交互。在众多的能源场景变革中，以光伏为代表的新能源生产领域，以电动汽车为代表的绿色出行领域，以及以ICT能源基础设施为代表的用能领域，蕴藏着巨大的技术创新、产业创新和商业模式创新机遇。华为预测，在电力生产端，到2030年可在生能源占全球发电总量比例将超过50%，光伏的度电成本将低至0.01美元，全球装机总量将超过3000GW。在能源消费侧，电气化率将从当前的20%左右达到30%，电动车的销量将超过50%；在ICT能源基础设施中有超过80%将采用绿电供电。与此同时，华为还预测2030年光伏发电LCOE度电成本可能低至0.01美元。光伏电站一般由光伏组件和光伏系统平衡部件(Balance of System，BOS)构成（平衡部件一般包含电缆、逆变器、接线等）。目前普遍投资模型中，光伏组件投资占比约占45%，未来十年受光伏组件发电效率提升，技术工艺提升，制造环节成本下降等综合因素的影响，光伏组件占系统成本比例不断降低到30%以下。涉及LCOE的其他BOS部件及整体运维的成本占比提升，其相关技术创新也在不断提升光伏发电的整体成本竞争力。a） 光伏电站系统高电压化。更高的输入、输出电压等级，可以降低直流侧线损及变压器低压侧绕组的损耗，电站的系统效率可以有效提升。逆变器、变压器的体积减小，运输、维护等方面工作量也大大减少。同时随着电站的维护趋向于无人化、自动化。2030年光伏电站系统电压等级将突破1500V，向更高压方向发展，进一步降低LCOE。b） 逆变器功率密度和效率提升。随着碳化硅、氮化镓材料、芯片散热、拓扑架构技术的发展，提供了更高的温度、更高的频率以及更高的电压运作能力与更低损耗的可能。到2030年逆变器功率密度比当前将提升70%以上。c） 模块化标准化设计。逆变器、PCS、储能等关键设备采用标准接口，灵活扩容，快速部署。设备内部交、直流分断部分、逆变部分、控制部分、散热部分也将全面模块化设计。可以实现免专家维护，极大降低运维成本、提升系统可用度。系统全模块化和设备全模块化将成为行业主流。d） 全面数字化。数字技术与光伏技术融合，运维管理、生产管理和资产管理变得极简、智能、高效。光伏电站从一个哑电站变成一个有机的智能生命体。AI将代替专家职能，使能光伏电站自主协同优化。通过智能跟踪算法，让组件、支架、逆变器协同运行，找到最佳角度，释放最大潜力。精准定位故障，将运维工作量从“月”降低到“分钟”。全面提升发电效率和重构运维体验。助力电站生产力和安全性提升。预计2030年光伏电站应用AI技术比例达到90%。宽禁带半导体全面应用和数字化控制技术全面协同，推进电动汽车极致能效比。随着电力电子技术相关功率器件、拓扑及控制算法的升级，电源部件将达到新的极致高效。尤其是碳化硅等器件新技术、新材料的应用，相比较传统的硅器件，禁带宽度提升3倍，电场强度提升15倍，电子饱和速率提升2倍，导热系数提升3倍，电动车系统级的效率如充电、行驶工况、供电传输、功率变换、加热/制冷、能量回收全链路架构将被持续重构升级。在数字化技术加持下，从器件到系统，从动力域到整车运行，通过智能电热协同、智能扭矩分配算法、智能电液制动分配实现整车全场景高效。同时为了进一步节能及提升续航里程，采用超融合及域控制架构，通过电能、动能、热能、能量回收的联动控制，实现多能互补，可达到充电--储电--用电的全链路整车级高效。如智能电热协同，电机和逆变器热量通过热泵系统智能配送至乘客舱供暖，四驱扭矩智能分配，兼顾制动安全与能量回收比例，最优分配电机、液压制动比例等提升续航技术全面使用。数字化同时正重新定义电动汽车的驾乘体验。随着电池能量密度增加、电池管理做得更加完善以及电控系统调校更细腻，电动汽车也逐渐有了驾驶“灵魂”，电动汽车在驾驶体验如极致加速、极致操稳、创新智能特性上全面超越传统燃油车。如极致加速，电动汽车大功率、快加速成趋势，300kW，400kW，600kW，800kW动力配置完胜燃油车。极致操稳，多电驱分布式驱动，取代燃油车时代的机械限滑差速器，实现更快弯道加速、更优山地越野，驾驶乐趣全面领先，创新智能特性，SOA（Serviceoriented architecture）+集中式EEA（electricelectronics architecture）趋势下，电动汽车动力域生命周期可持续软件特性升级，常用常新。智能剩余续航预估，车主出行无忧。智能赛道模式，调整热系统升功率，调整前后驱扭矩，让驾驶更有乐趣。智能油门，车随人动，驾驶随心所欲。驱动制动融合，电机监控轮胎滑移率，实时调整驱动扭矩，冰雪湿滑路面不打滑，驾控性和安全性大幅提升。消费者对电动汽车的接受度提升，续航里程增加和充电便捷度成为关键推动力量。从电动汽车技术层面看，相同尺寸下，能量密度提升带来的电量增加是解决续航问题的有效举措，电池电压升高带来的快充能力提升是充电便捷度的关键。以电动乘用车为例，预计2025年起，单车电池平均容量也会从60度电升级到100度电，主流充电电压将500V升级到1000V，2030年全面进入充电“千伏时代”。充电基础设施单枪充电功率从60kW支持到480kW以上，充电时间从1个小时左右缩短到小于10分钟，接近传统燃油车加油体验。电动车动力系统也向“千伏”演进，趋向集约化，融合、协同一体化，降低电流，减少能量损失。高电压平台、精细化大倍率充放电曲线设计实现充电、行驶放电、能量回收高效协同。充电基础设施系统高压化技术广泛使用，如高压碳化硅技术推动高效、高密，支撑高压平台演进，基于ChaoJi充电技术路线的标准定义，1000（1500）V充电电压平台，支撑最大充电功率可提升到900kW，这类超级充电技术将被广泛布局在城际高速路。
