(原文来自 www.powerelectronicsnews.com，作者： 毛里齐奥-迪保罗-埃米利奥，用 www.deepl.com 翻译 )
2024 年是电力电子行业发展的关键一年，它为 2025 年及以后的剧变做好了准备。宽带隙（WBG）半导体和人工智能（AI）集成是推动这一变革的主要动力。
氮化镓和碳化硅等微波基团技术在太阳能系统和电动汽车逆变器等应用中具有卓越的效率和性能，因此越来越受到欢迎。下一个前沿领域是研究超溴化镓材料，如金刚石和氧化镓（Ga2O3）。我预计这两种材料将在 2025 年取得更多进展。虽然更简单的可扩展性使 Ga2O3 器件更受欢迎，但金刚石技术可能仍存在制造困难和成本问题。这两种材料都将提高碳化硅和氮化镓的性能，从而促进下一代功率转换和电气化技术的发展。
人工智能将通过弗劳恩霍夫协会所称的 "认知型电力电子技术 "为电力电子技术带来一场革命。目前，智能电源模块已经投入使用，预计将发展成为能够进行预测性维护和实时健康监测的系统。这些发展可以使设备预测故障，从而提高系统的可靠性，减少停机时间。例如，逆变器可提前数天通知操作人员晶体管可能发生故障，从而提供实用信息，避免中断。此外，将人工智能与电力电子技术相结合，还能加快这些超特高压波导技术的商业化进程。
从半导体材料的发展到人工智能与电力系统的结合，未来几年电力电子技术将有显著的飞跃。工业界和学术界携手合作，将有助于打造一个拥有更智能、更高效、可持续能源解决方案的未来。
汽车
预计 2025 年 48-V 系统的采用率将上升，对数据中心和汽车等行业产生重要影响。这些系统将在热管理和高级驾驶辅助系统等应用中发挥相当重要的作用，从而提高电动汽车的整体性能。此外，将 48-V 电机和泵集成到电动汽车中将有助于降低电机绕组对铜的依赖，从而生产出更轻、更高效的汽车。在增加续航里程的同时，还能降低制造成本。
随着电动汽车行业向更高电压系统（如 800 V 及更高电压设计）的转变，SiC 功率半导体的使用也将随之而来。在牵引逆变器、车载充电器和快速充电基础设施等领域，这些元件将发挥至关重要的作用。凭借出色的热性能和更高的开关速率，WBG 技术将提高电动汽车的性能和效率，从而满足日益增长的储能需求。
电机技术的同步发展对于可持续交通的发展方向至关重要。尖端控制系统与材料和制造技术的结合将提高动态反应能力和 可靠性，从而为未来几年的电动汽车发展确定新的基准。
宽带隙
电力行业在减少环境影响和满足日益增长的能源需求方面正面临着重大挑战，尤其是在电动交通和基础设施领域。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等世行集团半导体正成为主要的脱碳选择。这些材料具有极高的效率和更高的温度工作能力，可大大降低牵引系统和充电基础设施的能源损耗。
然而，采用这些技术也面临着挑战，特别是在可靠性和预烧测试方面。要确保符合质量标准，就必须为世行集团设备制定新的压力和测试方法。
降低价格和提高功率器件性能有赖于 300 毫米氮化镓晶片等先进技术，这些技术也有助于进一步加快交通电气化的进程。随着面向大众市场的低成本电动汽车的部署（尚未达到理想水平），电气化已成为汽车行业最关注的问题。采用世行集团技术将降低这些汽车的成本并提高其效率。
2024 年，英飞凌科技公司在开发 300 毫米功率氮化镓（GaN）技术方面取得了重大进展，巩固了其在不断增长的氮化镓市场中的领先地位。英飞凌表示，未来，300 毫米氮化镓将通过掌握硅、碳化硅或氮化镓等所有相关功率技术，进一步巩固公司在功率系统领域的领先地位。
优化电网管理的关键还在于将人工智能和机器学习技术融入充电基础设施。通过更好的充电技术和更有保障的能源分配，人工智能将协助管理电网负荷。这与充电基础设施的标准化相结合，将使交通电气化不仅可行，而且切实可行。
虽然核电等技术在保证电网稳定和实现气候目标方面可能仍然非常重要，但 2025 年的全球能源平衡将更加倾向于可再生能源。
世行集团部门 2025 年的主要技术目标包括
更低的价格和更大的晶圆：2025 年的主要目标是实现 300 毫米的氮化镓晶片尺寸。在提高产能的同时，生产更大尺寸的晶片将大幅降低价格。特别是在汽车和能源领域，这一发展将使氮化镓功率器件更容易获得，价格也更合理。
降低开关损耗，提高效率：碳化硅在降低开关损耗方面尤为突出，在大功率电机中可降低高达 90% 的开关损耗。到 2025 年，SiC 器件将得到大幅改进，以帮助降低能量损耗，提高牵引系统和充电基础设施的效率。
提高坚固性和可靠性：WBG 设备必须能够在汽车和高温工业环境中运行。未来的进步将集中在提高电子器件的耐用性和稳定性上，即使在热应力和电压力下也是如此，从而增强其弹性。
将 WBG 设备与新的电源拓扑结构相结合：WBG 设备将与复杂的拓扑结构相结合，包括用于储能系统和电动汽车快速充电的拓扑结构。WBG 解决方案将逐步满足高功率需求，加快基础设施的充电速度和可靠性。
不断发展的材料可提高性能并降低成本：材料的发展将有助于进一步提高系统的效率并降低制造成本，从而使这些技术能够大规模普及。尤其是氮化镓基底材料的发展将使它们能够提高在高电压下的性能，从而成为碳化硅的眼中钉。
几年前，6 英寸碳化硅芯片的成本很高，但随着技术的进步，质量得到了提高，制造难度也有所降低。Wolfspeed 通过垂直整合实现了 200 毫米碳化硅晶片的生产，从而能够更好地控制高达 10 千伏高压设备的外延层质量。
硅基氮化镓可使用 6 英寸和 200 毫米晶圆，但在更大尺寸的晶圆上保持 MOCVD 的一致性可能具有挑战性。硅基氮化镓兼顾了成本和效率，而碳化硅则具有更高的电压、隔热性能和性能。最近在 12 英寸硅基氮化镓方面取得的进展显示了低压和高压应用的潜力。
英飞凌表示，基于氮化镓的功率半导体在工业、汽车、消费、计算和通信应用中得到快速应用，包括人工智能系统的电源、太阳能逆变器、充电器和适配器以及电机控制系统。最先进的氮化镓制造工艺将进一步提高器件性能，为终端客户的应用带来效益，因为它能实现更高的性能、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。全面扩大300毫米氮化镓生产规模还将有助于实现氮化镓成本在RDS（on）水平上与硅持平，这意味着同类硅和氮化镓产品的成本持平。"英飞凌将继续推动氮化镓市场的创新和增长，重点是扩大客户群和增加市场份额。英飞凌发言人表示："凭借2024年的强劲表现和坚实的增长基础，英飞凌已做好充分准备，抓住2025年及以后氮化镓市场的机遇。
Qromis首席执行官Cem Basceri强调，VIS将继续为消费电子产品提供200毫米GaN-on-QST 650V电模器件，并为工业和汽车应用推出Gen2器件。此外，VIS 还将开发 200mm 1,200V E 模式器件，并于 2026 年晚些时候推出产品。与此同时，IMEC 将向其核心合作伙伴提供 1,200V GaN-on-QST 工艺、垂直功率器件和晶圆级单片集成电路，并向业界提供许可证。
"QROMIS-IMC-ShinEtsu的合作将开发300毫米QST上GaN技术，而ShinEtsu和QROMIS将推出带有SiC生长界面的第二代QST衬底，将GaN外延性能提升到新的水平。此外，QROMIS、ShinEtsu 和 VIS 还计划提高 200mm QST 衬底、外延片和器件的产量。Basceri 说："QROMIS 还致力于扩大其强大的知识产权组合，目前全球专利已接近 300 项，推动了高性能氮化镓功率器件的发展。
主要增长动力
电动汽车牵引逆变器约占整个可处理市场的 70%，是碳化硅行业中最重要的类别。随着汽车行业以及包括船舶和飞机在内的其他电动交通应用的发展，预计这一趋势将持续下去。目前，全球许多电动汽车生产商已在其车辆中使用碳化硅。
碳化硅的另一个主要发展领域是快速充电基础设施的迅速普及。快速充电趋势正在推动数百千瓦的电力需求。例如，特斯拉公司表示，其首批 500 千瓦电动汽车充电器将于 2025 年上市，可为商用车充电 1.2 兆瓦。其他发展领域包括可再生能源和工业自动化。全球正在建设的太阳能发电能力约为 400 千兆瓦，其中大部分正在采用碳化硅进行逆变器和电池储能转换。
得益于数据中心的发展，氮化镓（GaN）技术发展迅速。事实上，氮化镓预计将成为未来几年增长最快的技术。随着数据中心和未来的消费电子产品（如计算机）转用 48-V 配电，低压氮化镓器件是这些用途的理想选择。功率更大的氮化镓器件，如 650-V 等级的器件，能很好地满足各种用户的电源需求，如冰柜、洗衣机和其他 30 瓦至 200 瓦设备的需求。大功率氮化镓还可用于汽车，如车载充电器和直流/直流转换器。氮化镓还可用于电动汽车电源转换器，使其在低负载时更加高效。人们认为，横向氮化镓器件将统治这一领域，因为它具有垂直器件所不具备的内置优势，如 2DEG 和更高的移动性。此外，氮化镓还具有很高的成本效益，因为它主要是在硅板上制造的，这使得公司可以利用现有的硅设备，并保持较低的资本成本。低压氮化镓器件不需要很厚的外延层（小于 1 微米），因此比其他器件更便宜。
宜普公司首席执行官亚历克斯-利多（Alex Lidow）表示，氮化镓技术已经在人工智能服务器卡，特别是其直流/直流转换器中取得了重大进展。"他说："下一步是人工智能机架交流/直流系统。他说："随着功率水平从 3 千瓦提高到 5 千瓦，再提高到 8 千瓦，氮化镓是应对紧凑型 1U 外形挑战的理想选择。多级氮化镓解决方案是满足这些需求的最佳方法。
除了人工智能基础设施外，氮化镓集成电路和场效应晶体管在仿人机器人中也发挥着举足轻重的作用。"Lidow说："它们尺寸更小、重量更轻、效率更高，因此对于为手臂、腿、膝盖、脚踝、臀部、手指和肘部等组件中的电机供电至关重要。Lidow说："氮化镓还可应用于激光雷达传感器（作为人形机器人的'眼睛'）和直流/直流转换器（作为其'心脏'）。随着性能的提高和成本的降低，仿人机器人有望在未来十年内得到更广泛的应用，从而进一步巩固氮化镓在这一新兴市场的地位。
电机控制应用和要求
汽车电机的功率范围从城市中使用的小型汽车的几十瓦到商业和工业卡车的兆瓦不等。当开关速率较低时，如牵引变频器，传导损耗是最需要考虑的问题，尤其是当负载较轻时。价值约 50 亿美元的工业电机驱动器市场主要由硅 IGBT 主导。全球约有 40% 的电力用于电机，从电梯到传送带，电机驱动着各种设备。国际能源机构已经制定了更严格的能源标准，这鼓励了在这些领域使用碳化硅。哪怕只是提高 2% 的效率，也能很快收回资本支出。碳化硅还具有体积小、重量轻的优点，而且有可能使用更高的开关频率，从而降低噪音，使电机定位更加精确。
氮化镓的高开关速度（数百千赫兹）对机器人和无人机中使用的低压电机非常有用。在频率方面，这些电机不会出现与市电供电的电机相同的问题，如屏蔽和齿轮故障。由于被动元件更小，在这些高频率下工作的低压驱动器可以获得更好的功率水平。对氮化镓可靠性的担忧主要来自制造工艺的缺陷以及热应力和机械应力造成的故障。不过，一旦这些问题得到控制，氮化镓器件就会非常可靠，与硅功率器件相比，其寿命更长，故障率更低。氮化镓还能控制高功率、低频率的电机。
硅 IGBT 甚至碳化硅 MOSFET 通常需要并联肖特基二极管来改善反向传导，但氮化镓器件在这方面要好得多。氮化镓的栅极电荷较小，因此寄生导通的可能性较低。另一个好处是，许多氮化镓制造商将感应、保护和驱动功能整合到一个单元中。这使器件处于安全工作区域，从而使系统更加可靠。
封装问题，如键合导线脱落或模具应力裂纹，是电机控制器停止正常工作的常见原因。新的封装方法（如顶面或底面硬化）提高了产品的可靠性，特别是在温度变化高达 80°C 的车辆应用中。
Navitas GaN 和 SiC 产品管理与营销高级总监 Llew Vaughan-Edmunds 表示："随着 SiC 和 WBG 之间的差距不断缩小，电机驱动器将开始向 SiC 和 GaN 过渡。机器人技术将兴起并成为热门话题。MV（中压）和 LV（低压）氮化镓将在高速电机和提高效率以延长电池寿命方面发挥重要作用。
热管理趋势
特别是在电动汽车和绿色能源等领域，未来几年电力电子设备热管理领域将出现许多新的发展和趋势：
更好的冷却材料：导热聚合物、碳基合金和更好的陶瓷材料，以及其他能消除热量的材料，都将在这方面取得重大进展。
更有效的液体冷却解决方案：液体冷却将应用于更多的系统，特别是那些需要大量能源的系统。创新的目标是简化液体冷却系统，并通过更轻、更简单的结构提高热交换器的效率。这将使提高下一代半导体产品的功率水平成为可能。
集成热管理：在未来几年中，直接在 PCB 和芯片组等元件中内置热管理解决方案的情况将越来越多。减少对多个冷却系统的需求将有助于使设计更小巧、更高效。
人工智能驱动的热优化：随着人工智能的不断进步，实时热管理和跟踪可能会越来越有用。来自温度传感器的实时数据将使人工智能驱动的系统能够确定降低物体温度的最佳方法，从而按需改变性能和效率。这对于管理高性能应用中复杂的温度趋势至关重要。
为航空航天和重工业增加能源：这些行业需要创新的冷却解决方案来管理新增电力需求。例如，电动飞机和太空探索需要全新的热管理方法，以应对高功率水平，同时保持安全性和可靠性。
混合冷却解决方案：如今，人们越来越多地将主动冷却技术与被动冷却技术相结合。未来将出现更多降低电力系统热量的方法，而且这些方法将更加有效。将热管与液体冷却或电气材料相结合是一种更具想象力的散热方法。
可持续性：随着环境问题日益受到重视，未来的热管理系统将专注于能耗更低的冷却技术。例如，使用可再生能源或导热性能优异的材料而不影响环境的冷却系统将成为重中之重。
数据中心
展望 2025 年，最大限度地提高效率和可持续性将是数据中心下一阶段的主要优先事项，以满足人工智能和高性能计算机日益增长的耗电量。数据中心必须改变配电系统，采用更高的电压，如 48 V、50 V 甚至 800 V，因为 CPU 的功率将超过 2,000 W，基于 GPU 的服务器的功率甚至将达到 4,000 W。冷却技术也将迎来创新：浸入式冷却和液-液解决方案将在降低功耗方面发挥重要作用。可回收材料、高能效电源以及从电动汽车领域汲取的改进型冷却技术将成为可持续设计的重点。
Navitas 公司氮化镓和碳化硅产品管理与营销高级总监 Llew Vaughan-Edmunds 预测，随着人工智能需求的增长，数据中心 PSU 将向氮化镓和碳化硅过渡，并进入量产阶段。此外，LV（低电压）/MV（中电压）氮化镓将成为 CPU/GPU 中 POL 系统的关键。
基础设施和能源
2025 年，电网将变得更加双向，不仅能促进大量发电，还能整合远程资源。这些地点包括住宅、企业和其他积极支持能源生产和消费的基础设施。电网不仅能适应高峰需求，还能提供更智能的解决方案，最大限度地利用风能、太阳能和绿色氢能等可再生能源，这得益于储能技术的广泛应用。
基于 WBG 半导体（包括碳化硅）的快速充电站可将充电时间缩短 50%，这将推动电动汽车充电基础设施的快速发展。这些充电站将成为发展智能城市和电动交通计划的重要组成部分，从而促进全球对电动汽车的接受。
扩大绿色氢能基础设施将是 2025 年实现由可再生能源驱动的可持续能源网，并与利用可再生能源制造氢气的电解系统相连接的又一步骤。
Navitas公司氮化镓和碳化硅产品管理与营销高级总监Llew Vaughan-Edmunds预计，2025年下半年电动汽车需求将增加，到2025年第四季度，氮化镓将首次用于OBC的生产。他还预计电动汽车基础设施将重新发展，SiCPAK 模块将成为快速充电的理想解决方案。此外，太阳能市场预计将在 2025 年下半年实现增长，双向技术是下一代微型逆变器的完美选择，可提供更高的功率密度和效率。
英飞凌认为，去碳化和数字化的结构性趋势将决定市场的长期走向。去碳化是可再生能源和扩大能源基础设施的强大驱动力。这将进一步加快可再生能源的开发和能效投资。
"去碳化要求我们系统地改变能源的生产、运输和消费方式。根据国际能源机构的计算，到 2050 年，可再生能源在全球发电量中所占的比例将需要从 12% 左右提高到 70% 以上，这样才能实现 1.5°C 的气候目标。虽然由于客户和安装商已经积累了大量库存，最近对太阳能系统用半导体的需求有所下降，但安装率仍然很高。因此，我们预计，一旦库存水平恢复正常，我们用于太阳能逆变器的差异化功率模块业务将再次回升。
2025 年的下一个目标：氢动力交通工具
鉴于运输业仍然是全球温室气体排放的主要来源，因此必须转向使用可持续燃料。氢看起来是一剂良药，尤其是对卡车等重型车辆而言。沃尔沃卡车公司计划在 2026 年进行道路测试，率先推出使用标准内燃机的氢动力卡车。这些车辆由纯 "绿色 "氢气驱动，可大大减少排放，而无需像电动卡车那样需要长时间充电。在低二氧化碳排放的同时，沃尔沃创造性地应用高压直喷技术，保证了更经济的燃料消耗和更高的发动机输出功率。
不过，氢能汽车要想在 2025 年被广泛接受，基础设施建设仍是一大挑战。长途旅行需要强大的加氢站基础设施。在规模经济和技术改进的推动下，利用可再生资源生产绿色氢气和开发氢动力汽车的成本必须变得更加低廉。尽管存在这些挑战，但氢不仅为重型汽车，也为船舶和飞机等更广泛的用途提供了巨大的潜力，从而能够建立一个更具可持续性的运输系统。
工业为何采用直流电：技术实现与前景
通过提高直流电网的性能并使其更容易集成到工业系统中，直流电网正朝着光明的未来迈进。为实现直流系统的智能化，我们做了大量工作。这些电网将足够智能，能够控制能量流，包括本地绿色能源，并充分利用能源。
智能电网能实时平衡供需，即使停电也能保证工厂运转。智能电网还将减少高负荷，从整体上节约能源和资金。
随着技术的变革，直流电网在提高企业的可持续性、复原力和灵活性方面可能会发挥非常重要的作用。将这些系统组合在一起，将有助于生产满足世界日益增长的能源需求，使未来更清洁、更健康。
核电
数据中心等行业的需求不断变化，需要更多的能源来运行人工智能、云计算和其他资源密集型应用。鉴于到 2030 年全球数据中心的能源使用量预计将增加两倍，人们正在研究小型模块化反应堆 (SMR) 和核微反应器等创新理念，将其作为一种可持续的手段来满足日益增长的需求。小型反应堆的发电能力从 300 兆瓦到 300 兆瓦不等，可提供模块化和可扩展的电力解决方案，由于采用了被动安全系统，因此可以在减少安全问题的情况下实现本地化能源生产。长期运行发现，这些反应堆的效率更高，因为它们不需要定期补充燃料。
微型核反应堆可提供小而稳定的电力，其尺寸小到足以满足距离遥远或未与电网连接的地方的需要。这些反应堆可持续工作长达 10 年，无需补充燃料。这可确保人工智能驱动的数据中心等重要流程始终能够获得电力。
裂变）核能存在一些问题，但对于数据中心等能源消耗大的场所来说，它作为一种长期的电力来源具有很大的潜力。最大的问题之一是建造核电站（如 SMR 和微反应器）的成本过高。尽管模块化设计声称可以节约成本，但初始成本以及漫长的审批和建造时间仍然是模块化设计的问题所在。
人们看待事物的方式是另一个问题。尽管安全性有所提高，但由于过去的事故和辐射泄漏的可能性，人们仍然对核能持怀疑态度。要建立对这项技术的信心，人们需要了解它并进行清晰的沟通。处理废料是另一个大问题。如今的反应堆产生的废料越来越少，人们正在研究深层地质储藏等新思路作为可能的解决方案。然而，核能产生的有毒废料需要小心处理，并安全保存几十年甚至上百年。
解决核废料问题对于决定未来几十年核能的作用至关重要。在减少核废料方面的创新（如效率更高的下一代反应堆）和安全的处置方法（如深地质处置库）为更清洁、更安全的未来带来了希望。
