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電力電子系統技術之所以快速發展，功率模組乃是公認的主要推動力，尤其在節約能源、功率控制動態范圍、減少雜訊、減輕重量和縮減體積方面，表現更是出色。功率半導體主要用來控制發電與耗電之間的能量流，其過程需要的是無比的精確與極低損耗。 為了因應工業應用，持續推動電力電子技術精益求精的力量有5個面向：能源效率、作業溫度、微型化、可靠程度與成本精簡，而這5個面向在某種程度下會相互影響。這些趨勢在過去30年來不斷地驅策著功率半導體的發展，未來也勢必扮演重要的推手。 
圖1：過去30年的功率密度發展，未來仍潛力無限 采用創新的組裝與互連技術后，功率密度從當初的30kW/cm2提升到現今的110kW/cm2。一般認為，隨著新的技術發展，半導體產業將使用IGBT模組大幅提高功率，而功率提高就必須打造新的模組外殼。此外，轉換器的相關技術也一直在進步，就是因為晶片技術與模組外殼設計有所發展。技術變革帶來了各電壓等級零件通用等新概念，半導體制造商需要采取創新解決方案，以符合現代節能電力電子裝置的未來要求。 高功率IGBT模組適用多種應用，例如電動車(EV)/混合動力車(HEV)、工業驅動裝置、運輸和風力發電機，這些應用講求精巧設計、能源效率與可靠性。因此可以預見，在一個需求更高的環境中，新的應用對于轉換器與模組技術的耐久性和彈性的要求，將完全不同、甚至更加嚴苛。以上局面也導向了值得思考的問題，也就是未來如何形塑解決方案才能滿足不同的需求。
圖 2：英飛凌憑創新模組為全球產業設下標竿 驅動裝置 除了利用再生能源發電以外，石化燃料發電仍占能源供應中最大部分。根據估計，全球人口在2005至2030年之間將增加17億至82億，來勢洶洶的都市化浪潮更加速了人口成長。由于人口增加了，就更加需要投注鉅額資金，開采并配送石油與天然氣等能源來源，而且還要有新的生產技術，才能善用新資源。因此，開發新資源所需的高效率幫浦驅動裝置，其核心正是IGBT模組。就工業驅動裝置而言，變速驅動裝置已逐漸取代未調速驅動裝置，以增加能源效率。 在鋼鐵工業、石油與天然氣產業或采礦企業等工業應用中，轉換器的作業條件通常極其嚴酷。炙熱的鋼鐵、危險的環境、多變的操作模式以及周期性的過載，都意味著高電應力和高機械應力，因此相對需要格外穩定的結構。輥軋機驅動裝置的功率，從100KW左右至數十MW，適用新興發展的中低電壓應用，以及現代化、改良現有廠房的中低電壓應用。堅固耐久、穩定可靠的電力電子概念，是滿足這些需求的必要條件。 牽引機 牽引機市場高度仰賴公共建設工程專案，這類專案系由各個國家、城市和地方政府執行。全球的鐵路運輸也正在經歷一場巨大變革。世界各地有多家新興運輸公司正在進行大規模并購，因為這是管理預期交通流量的唯一方法。新的鐵路建設與擴張專案不斷增加。很多城市都在建設以鐵路為主的本地運輸系統，有些城市甚至是首次進行鐵路建設。有些新興經濟體在貨運與高速載客服務領域都展現了極高的經濟成長率，因此雄心高昂，推動多項全新的鐵路建設工程。 推動全球牽引機市場的兩大發展如下：都市化以及日益擴張的機動力。即使個別工程已提早數年進行規劃與籌措資金，仍需運用最新技術，這樣才能滿足節省成本與時間的相關需求。鐵道運輸元件與驅動裝置轉換器類似，精巧設計與縮減重量都是其中關鍵因素。 風力能源 再生能源的發電量比例穩定成長，對功率半導體的需求也隨之增長。岸上風力發電機是目前最經濟的再生能源來源之一。復雜的變頻系統能連結電網，提供發電電力，因此成為發電廠的重要元件。現代離岸風力發電機的輸出電力最高可達7MW。發電機的功率越來越高，而且風力發電應用有空間限制，因此需要小巧且功能強大的轉換器概念。考量相關工程的成本效益之際，低廉的維護成本和生命周期扮演了非常重要的角色。由于設計效率必須面面俱到，因此將以轉換器為基礎的平臺方案列入考量。 電力電子解決方案必須十分堅固耐用，才能滿足各項應用的基本要求，例如上述的風力發電、牽引機械的驅動系統、中電壓工業驅動裝置或高壓直流輸電系統。利用高壓直流輸電技術，即能以極具成本效益的方式長距離傳輸電力。從這方面看，離岸風力發電廠與岸上供電網的連結，就很有實現的潛力。
圖3：新的模組標準必須考量應用的多樣性與不同需求 解決之道 IGBT技術面臨越來越多新的挑戰，主要原因是各項應用的需求不斷增加。近幾年功率半導體發展順利，顯然是因為獲得了晶片技術的基礎。發展的重點是，研發最新一代的晶片，而未改變原有封裝技術。全新的IGBT晶片大多已與現有的封裝整合，這個方法總有一天達到極限。系統需求不斷增長，新一代的晶片也進入生產，必須隨之研發具有相應能力的新封裝。能因應這些挑戰所的需要，便是我們的‘解答’。 一如往常，英飛凌在此提供了適時的‘解答’：適用于高功率IGBT的新模組標準。這個全新標準的高功率平臺在PCIM 2014中首度亮相，可望成為日后挑戰的‘解決之道’。名為‘The Answer’的新模組平臺，其細部性能滿足了各式各樣應用與應用情境的需求，例如高功率密度、效率、長生命周期與耐用度。英飛凌為高功率IGBT模組設下了全新外殼標準，適用1200V至6.5kV等多個電壓等級。新標準外殼的擴充能力，大幅度簡化了系統設計。而且，堅固的架構提供長時間的穩定性，即使曝露在環境條件最嚴苛的應用當中，也絲毫不受影響。
圖4：‘The Answer’定義全新的工業標準——適用 1200V 到最高 6.5kV 等多個電壓等級，其中包含 400A/4.5kV和 275A/6.5kV兩種規格，其尺寸為 100mm x 140mm x 40mm 現代的轉換器概念，在設計和建構過程中講求高能源效率和彈性。以新的可擴充高功率平臺為基礎，轉換器的尺寸大小就能根據傳動裝置上的電力需求實施最佳調整。其封裝可由先前研發的轉換器輕松擴展，增加更多模組就能因應。相容于今日常見電壓等級的未來封裝技術一旦上市，憑藉其轉換器可擴充的原始設計，即能于不同的電壓等級進行交換。 新平臺的彈性概念確保相似的零件能以并聯方式連接，因此得以使用簡化結構連結DC連結端子與電容器。此外，AC端子能并聯連接于一個匯流排上，此舉縮短了開發時間，并降低系統成本。新平臺使用最新技術，不僅降低系統成本，其設計又符合未來需求，有效縮短了上市時間，提高競爭力。 |
