美國製造創新網路（目前稱為MgfUSA）已經闡明了美國製造業規劃的聚焦點在材料與能源。 清潔能源智慧製造CESMII中的清潔能源與能源互聯網自不必說， 而在複合材料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。 在美國第二個創新研究院“美國電力創新研究院” Power Amercia（PA）其關注點同樣在於能源的問題。 這是一個關於巨大的能源市場的創新中心。
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。
2015年1月， Power America成立， 並獲得總計1.4億美元的5年期基金， 這一計畫將在5年內讓美國的Power Electronics功率電子領域獲得進步， 並推進商業化進程。 這是由北卡羅萊納州立大學和國防部（DoD）聯合領導並成立， 瞄準更具成本競爭優勢的寬頻隙半導體技術（WBG-Wide Band Gap）。 這是一項基於SiC和GaN的功率電子（PE）， 加速SiC和GaN的產業應用。 PA工作在於通過社區協同來實現良好規劃但柔性的策略來加速開發工藝及設備。
表1可以看到， 常用的矽基功率電子其帶隙值僅為1.12， 而包括6H SiC和4H SiC以及GaN都具有大於3.0eV的頻寬， 這些都屬於寬頻隙功率電子， 相對於常用的矽基PE而言， WBG有更高的溫度適用範圍、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，
表1：寬頻隙功率電子的帶隙指標
（帶隙的單位是電子伏特， 數值越大意味著轉換效率越高）
相較於矽基功率器件，
SiC和GaN具有帶隙方面的優勢。
當然鑽石也有更為卓越的特性，
但是，
成本會太高，
因此，
也不作為發展的重點考慮。
由於寬頻隙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，
這也是美國製造創網路將其定義為關鍵發展領域的重要原因。
並成立了Power America這個創新中心來引導該產業的發展。
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省，
表2：WBG功率器件的提升空間（相對於Si）
表2顯示了WBG功率器件相對於目前市場上占主導地位的矽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、工作溫度範圍更大、重量更輕都會給系統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能、在軍用戰鬥機上，
圖2：WBG功率電子具有的優勢
圖2可以看到WBG的SiC和GaN相較於矽基功率器件的優勢，
高開關頻率會讓能源損耗較低，
而溫度範圍的適應力則會帶來體積的縮小、寬頻隙與電場帶來更高的電壓運行能力。
當然技術細節並不是本文要關注的，而巨大的節能潛力才是關鍵。如果我們能夠節省空間大於10%的話，對於能源而言，這就會是一個巨大的投入，想像一下，中國未來希冀通過電動汽車來“彎道超車”，跨越歐美在汽油發動機領域的極高的門檻，那麼WBG就應該是我們必須大力突破並投入應用的，製造業作為中國的重點戰略發展，而由於70%的製造能耗在電機傳動，顯然WBG的開發就對“中國製造”變得非常關鍵。
聚焦藍海市場與之前對製造創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。既不能太過於在基礎研究院，也不必要在已經大規模生產進入完全競爭的市場。
對於寬頻隙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開發公司關於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，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。用於電網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階段，包括歐洲的汽車製造商也尚未將SiC和GaN技術投入應用。
圖5是來自于國際知名諮詢機構IHS對WBG的未來市場預測，可以看到總體會在2025年達到36億美元的市場規模，從趨勢上看在2014-2025年這個十年的時間裡，WBG將會有較大的市場成長空間。
圖6：SiC市場的主要製造商
由圖6可以看到英飛淩、科淩CREE（功率電子部分已經賣給英飛淩）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勢，而在SiC應用領域裡包括了三菱、東芝、日立、松下等日本廠商。
瞭解到WBG技術、WBG的市場應用方向後，就可以明白PA因何聚焦在WBG功率電子技術，因為這符合美國製造創新網路的主旨思想，“要去開發未來廣闊的商業化市場，並通過生態系統建設讓美國在該產業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年計畫，將WBG逐漸產業化，從低壓、中壓到高壓設備，並通過創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於10kV的設備上採用WBG。
圖7：PA創新中心的目標設定
而圖8是PA實現這一目標的路線圖，因為目前WBG的成本還是比較高的，相對於矽基的功率電子器件仍然有大約5倍的成本，並且WBG功率器件的穩定性尚待提高，包括與之匹配的測試、驗證系統都還不成熟，因此，WBG的路線圖通過生態系統的合作，使得新技術可以為用戶所接受，並通過採用WBG研發產品進而推進其技術的進步與規模效應帶來的成本下降。
圖8：PA的技術路線圖
如同很多其他的創新研究院一樣，PA的技術路線圖也是通過一家諮詢公司，提供前期的技術文獻整理、專家訪談，並制定了四個主要推動力和路線圖。
圖9：PA優化產業鏈的規劃
針對產業鏈的過程，各個階段也由PA定義了各自的分工協作內容，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製造商對寬頻隙電子的重視。其他成員WolfSpeed（最早是美國科瑞公司的功率電子事業部，去年已經賣給德國英飛淩）、美國農業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業合作可以能夠在全球的市場競爭中佔有一個重要的角色，中國產業最大的好處在於有巨大的市場給我們進行測試，這種優良條件是非常明顯的，工業技術最大的困難往往在於如何讓產品經過現場的實際應用考驗不斷發現問題，並不斷進行品質的反覆運算，包括在應用技術的提升，一方面，從產業發展而言，國家需要創造條件給予企業測試的機會，產業生態系統的作用就是由其中比較優勢的終端企業來提供產業裡創新型企業的應用機會。產業協同效應即通過這種企業互聯，形成知識共用、測試條件分享、商業機會互通的條件，創新就必須敢於試錯，給予試錯企業機會。
勞動力不要丟美國製造創新研究院的教育和勞動力發展（EWD）部門，重點領域的使命是協助學術界和工業界的教育工作者和培訓人員為學生和專業人士建立職業道路，進入下一代電力電子工業，採用寬頻隙半導體技術。 PowerAmerica社區有一個獨特的機會，激發年輕人從學前到大學階段，瞭解這項技術對個人，社會和環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資訊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主題目的模組。
而在美國電力創新院PA的項目徵集書中，教育與勞動力方向，也是有眾多的專案供學術界和產業界的人員申請。例如其中一個基於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建的項目，並且高度鼓勵所有提交的作品都使用新的創新形式的教學設計，教學交付，並強調多種移動平臺。而線上材料也必須遵守美國殘疾人法案PA可以協助這些要求。
PA會將專案所開發的材料“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於其他目的——只要PA的LOGO在所批准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範圍內推出，鼓勵研究所使用知識共用（CC）授權，以確保更快更廣泛地傳播使用聯邦基金開發的材料。
圖10：EWD-PA在教育方面的推廣
教育與勞動力開發是美國製造創新研究院的三大戰略主線之一，每個創新研究院都會積極的與大學進行交流與合作，並且多數研究院的領導機構也是由具有豐富產業經驗的大學領導，相關領域的技術專家作為協調人，對產業有整體的把控能力，政府在其中扮演的支持與協調角色。教育與勞動力開發必須成為製造業的並行工程，而且，這種並行不是教育勞動部門單獨運行，而是與產業深入的交叉，形成產業推動教育、教育推動產業的良性互動。
近期與一位臺灣的大學教授探討關於中國製造業規劃，感覺“似乎這個規劃裡將所有他們知道的技術點都列了進去”。可是過於強調全面性，反而過猶不及。
美國所有的製造創新研究院，都聚焦於產業化，將軍方、大學與研究機構沉澱的科研投入轉化為商用市場的競爭力，通過產業生態系統的資源協同來降低產業成本與推進技術進步、製造技術的創新，有利於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，美國製造創新院一般都聚焦在TRL4~7級，明顯進行了取捨，但對應的是具有非常大的前景的技術應用領域。顯然產業戰略規劃應該有所取捨，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節作為創新中心的突破口，是高端製造的政策規劃者需要重點關注的。
《美國製造創新研究院解讀》圖書封面
注：本文為南山工業書院美國製造創新中心研究組的部分成果，致力於研究美國製造創新研究院的運行機制和產業藍海如何規劃。涉及先進製造14個領域。相關內容集結在《美國製造創新研究院解讀》一書，得到中國電子產業資訊研究院的大力支持，近期即將由《電子工業出版社》出版，敬請關注。涉及到如何創立產業聯盟、運營創新中心、產業鏈佈局的話題，歡迎交流。
作者：宋華振（貝加萊工業自動化市場經理，南山工業書院研究組，對各個產業的智慧裝備與工廠集成有較深的認識，微信號：SeanXSong）
編審：林雪萍（南山工業書院發起人，北京聯訊動力諮詢公司，微信號：sinceaprilbj）
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當然技術細節並不是本文要關注的，而巨大的節能潛力才是關鍵。如果我們能夠節省空間大於10%的話，對於能源而言，這就會是一個巨大的投入，想像一下，中國未來希冀通過電動汽車來“彎道超車”，跨越歐美在汽油發動機領域的極高的門檻，那麼WBG就應該是我們必須大力突破並投入應用的，製造業作為中國的重點戰略發展，而由於70%的製造能耗在電機傳動，顯然WBG的開發就對“中國製造”變得非常關鍵。
聚焦藍海市場與之前對製造創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。既不能太過於在基礎研究院，也不必要在已經大規模生產進入完全競爭的市場。
對於寬頻隙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開發公司關於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，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。用於電網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階段，包括歐洲的汽車製造商也尚未將SiC和GaN技術投入應用。
圖5是來自于國際知名諮詢機構IHS對WBG的未來市場預測，可以看到總體會在2025年達到36億美元的市場規模，從趨勢上看在2014-2025年這個十年的時間裡，WBG將會有較大的市場成長空間。
圖6：SiC市場的主要製造商
由圖6可以看到英飛淩、科淩CREE（功率電子部分已經賣給英飛淩）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勢，而在SiC應用領域裡包括了三菱、東芝、日立、松下等日本廠商。
瞭解到WBG技術、WBG的市場應用方向後，就可以明白PA因何聚焦在WBG功率電子技術，因為這符合美國製造創新網路的主旨思想，“要去開發未來廣闊的商業化市場，並通過生態系統建設讓美國在該產業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年計畫，將WBG逐漸產業化，從低壓、中壓到高壓設備，並通過創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於10kV的設備上採用WBG。
圖7：PA創新中心的目標設定
而圖8是PA實現這一目標的路線圖，因為目前WBG的成本還是比較高的，相對於矽基的功率電子器件仍然有大約5倍的成本，並且WBG功率器件的穩定性尚待提高，包括與之匹配的測試、驗證系統都還不成熟，因此，WBG的路線圖通過生態系統的合作，使得新技術可以為用戶所接受，並通過採用WBG研發產品進而推進其技術的進步與規模效應帶來的成本下降。
圖8：PA的技術路線圖
如同很多其他的創新研究院一樣，PA的技術路線圖也是通過一家諮詢公司，提供前期的技術文獻整理、專家訪談，並制定了四個主要推動力和路線圖。
圖9：PA優化產業鏈的規劃
針對產業鏈的過程，各個階段也由PA定義了各自的分工協作內容，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製造商對寬頻隙電子的重視。其他成員WolfSpeed（最早是美國科瑞公司的功率電子事業部，去年已經賣給德國英飛淩）、美國農業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業合作可以能夠在全球的市場競爭中佔有一個重要的角色，中國產業最大的好處在於有巨大的市場給我們進行測試，這種優良條件是非常明顯的，工業技術最大的困難往往在於如何讓產品經過現場的實際應用考驗不斷發現問題，並不斷進行品質的反覆運算，包括在應用技術的提升，一方面，從產業發展而言，國家需要創造條件給予企業測試的機會，產業生態系統的作用就是由其中比較優勢的終端企業來提供產業裡創新型企業的應用機會。產業協同效應即通過這種企業互聯，形成知識共用、測試條件分享、商業機會互通的條件，創新就必須敢於試錯，給予試錯企業機會。
勞動力不要丟美國製造創新研究院的教育和勞動力發展（EWD）部門，重點領域的使命是協助學術界和工業界的教育工作者和培訓人員為學生和專業人士建立職業道路，進入下一代電力電子工業，採用寬頻隙半導體技術。 PowerAmerica社區有一個獨特的機會，激發年輕人從學前到大學階段，瞭解這項技術對個人，社會和環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資訊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主題目的模組。
而在美國電力創新院PA的項目徵集書中，教育與勞動力方向，也是有眾多的專案供學術界和產業界的人員申請。例如其中一個基於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建的項目，並且高度鼓勵所有提交的作品都使用新的創新形式的教學設計，教學交付，並強調多種移動平臺。而線上材料也必須遵守美國殘疾人法案PA可以協助這些要求。
PA會將專案所開發的材料“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於其他目的——只要PA的LOGO在所批准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範圍內推出，鼓勵研究所使用知識共用（CC）授權，以確保更快更廣泛地傳播使用聯邦基金開發的材料。
圖10：EWD-PA在教育方面的推廣
教育與勞動力開發是美國製造創新研究院的三大戰略主線之一，每個創新研究院都會積極的與大學進行交流與合作，並且多數研究院的領導機構也是由具有豐富產業經驗的大學領導，相關領域的技術專家作為協調人，對產業有整體的把控能力，政府在其中扮演的支持與協調角色。教育與勞動力開發必須成為製造業的並行工程，而且，這種並行不是教育勞動部門單獨運行，而是與產業深入的交叉，形成產業推動教育、教育推動產業的良性互動。
近期與一位臺灣的大學教授探討關於中國製造業規劃，感覺“似乎這個規劃裡將所有他們知道的技術點都列了進去”。可是過於強調全面性，反而過猶不及。
美國所有的製造創新研究院，都聚焦於產業化，將軍方、大學與研究機構沉澱的科研投入轉化為商用市場的競爭力，通過產業生態系統的資源協同來降低產業成本與推進技術進步、製造技術的創新，有利於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，美國製造創新院一般都聚焦在TRL4~7級，明顯進行了取捨，但對應的是具有非常大的前景的技術應用領域。顯然產業戰略規劃應該有所取捨，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節作為創新中心的突破口，是高端製造的政策規劃者需要重點關注的。
《美國製造創新研究院解讀》圖書封面
注：本文為南山工業書院美國製造創新中心研究組的部分成果，致力於研究美國製造創新研究院的運行機制和產業藍海如何規劃。涉及先進製造14個領域。相關內容集結在《美國製造創新研究院解讀》一書，得到中國電子產業資訊研究院的大力支持，近期即將由《電子工業出版社》出版，敬請關注。涉及到如何創立產業聯盟、運營創新中心、產業鏈佈局的話題，歡迎交流。
作者：宋華振（貝加萊工業自動化市場經理，南山工業書院研究組，對各個產業的智慧裝備與工廠集成有較深的認識，微信號：SeanXSong）
編審：林雪萍（南山工業書院發起人，北京聯訊動力諮詢公司，微信號：sinceaprilbj）
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