原创宽禁带科技论|Nature Review EE: 第三代半导体和电力电子是实现碳中和的关键路径

 2025-1-24 10:55  36 0 分类: 工业电子

自2015年起，195个国家签署了《巴黎协定》，共同致力于减少温室气体排放，并设定了到2050年实现碳中和的目标。目前，能源使用约占全球温室气体排放总量的75%，主要涉及四大领域：发电、交通运输、工业制造，以及建筑物的制冷与供暖。实现碳中和的能源系统将主要依赖以下三个关键途径：将可再生能源作为主要电力来源、推动交通与建筑能源使用的电气化、以及提升电力转换的效率与功率密度。而这些目标的实现，离不开电力电子学和半导体技术领域的根本性突破和进展。

1月22日，香港大学先进半导体和集成电路中心张宇昊教授和汪涵教授、美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心（CPES）东栋教授、郦强教授、Richard Zhang教授、以及英国剑桥大学Florin Udrea教授（其中张宇昊教授与东栋教授为共同一作）共同在Nature Reviews Electrical Engineering发表题为“Wide-bandgap semiconductors and power electronics as pathways to carbon neutrality（第三代半导体和电力电子 – 实现碳中和的必经之路）”的综述文章。

不同于传统聚焦于电力应用减少碳排放的视角，这篇文章从底层半导体技术入手，沿着第三代半导体材料、功率器件、变换电路以及电力电子应用的完整产业链，深入探讨它们在助力碳中和转型中的巨大潜力。此外，文章首次定量评估了在光伏、电动汽车、数据中心和热泵这四大关键应用领域，使用第三代半导体器件替代传统硅基器件所能实现的年度碳排放减排效果。

这篇综述首先梳理了第三代半导体功率器件、变换电路和电力电子学应用的发展进展，特别聚焦于宽禁带半导体在推动从元件到系统性能提升中的关键作用。随后，文章从电气化和电力转换效率的角度出发，引入了一个简化模型，计算了在光伏、电动汽车、数据中心和热泵这四个关键应用领域中，使用宽禁带器件所能实现的年度碳排放减排量。此外，基于国际主流功率半导体厂商公布的碳排放数据，文章估算了宽禁带半导体制造相较于硅半导体制造所涉及的额外碳排放量。研究结果表明，第三代半导体在应用端实现的碳减排量远远超过其生产过程中可能产生的额外碳排放量。最后，文章探讨了该领域的主要知识空白与未来研究的潜在机会。