新一代功率半导体是多个领域节能关键

2014-02-03 23:08:55来源: 中国国际招标网
     最近几年,在半导体之中,原本在人们眼中“不出彩”的功率半导体成为了关注的焦点。

  功率半导体的作用是转换直流与交流、通过变压等方式高效控制电力,用于充电装置和马达。如今,这种半导体已配备于家电、汽车、工业机械、铁路车辆、输配电装置、光伏和风电系统等,掌握着节能的关键。

  三菱电机半导体器件第一事业部营业战略课长山田正典说“用人体打比方的话,个人店的CPU(中央运算处理装置)和存储器是控制运算和记忆的大脑,而功率半导体则相当于肌肉。”

  因新兴市场国家电力需求增加而受到关注

  技术信息供应商美国IHSGlobal预测称,功率半导体市场将稳定发展。全球市场规模预计在2017年,将从2012年的114亿美元扩大到141亿美元。其中,新兴市场国家的电力需求增加尤为明显。

  美国IHSGlobal日本事务所代表南川明说“以新兴市场国家为中心,中产阶级正在增加,耗电量越来越大。在2020年,很有可能出现电力供求紧张,发生全球性电力危机。”

  有数据显示,工业机械和家电等的马达所使用的电力占到了全球耗电量的55%,欧洲和中国已经公布了关于马达效率的节能标准。

  通过使用精密控制马达转数的逆变器,可以使耗电量减少了4成左右。日本的工业用和家用空调基本全部配备了逆变器,但从世界范围来看,普及率只有区区2成。而逆变器的核心部件就是功率半导体。

  功率半导体之所以受到关注,原因并不只是全球电力需求的增加,还有一个重要因素是最近3年——4年来,新材料接连投入了实用。

  传统半导体的主要材料是硅。而如今作为新一代功率半导体材料,碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)备受期待。如果日本国内的功率半导体全部从硅换成碳化硅,按照原油换算,到2020年可节约能源724万kL。节约的电能相当于7——8座核电站的发电量。

  技术与经验的结晶

  从功率半导体的全球份额来看,三菱电机、东芝、瑞萨电子、富士电机等日本企业名列前茅。美国OHSGlobal日本事务所代表南川说“功率半导体领域比的是技术积累,要涉足该领域绝非易事。日本企业荣誉发挥出优势。”

  在以MCU和存储器等为代表的IC(集成电路)中,微小的电流沿水平方向在晶圆表面高速流动。而功率半导体则是在背面设置电极,沿垂直方向通入大电流。这需要高超的背面加工技术,因而抬高了涉足的门槛。

  而且,功率半导体的用途也成为了一道难关。IC主要应用于个人电脑、电视等消费类产品,容易实现同质化(通用品)、低价格化。而功率半导体大多用于公益,需要按照用途和客户的要求精雕细琢。因此不容易卷入价格竞争。

  功率半导体保护整流二极管、功率晶体管、晶闸管

  其中,功率晶体管具有“放大”和“开关”的作用。放大是指低频功率变为高频功率,开关是指切换电路的开与关。

  充分利用放大作用,就可以使用小功率驱动马达。切换电路开与关的开关速度越快,越能实现精密控制。

  功率晶体管还可以进一步分成三个种类。

  首先,双晶体管是由3个端子组成的半导体,利用输入电流控制扩大和开关。虽然放大率高,适合处理较大电流,但也存在开关速度慢的缺点。

  其次,功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)是利用输入电压控制动作。耗电量较小,能够实现高速开关。但处理大电流时损耗大。

  最后是IGBT(绝缘双极晶体管),在一个半导体元件(芯片)上集成双极晶体管和MOSFET而构成。不仅耗电量小,能够处理大电流。而且可以实现高速开关。

  通过大型化降低成本

  用来提高功率半导体能源利用效率的是使用新材料的新一代产品。其中有望成为主流的是使用碳化硅的产品。与硅相比,碳化硅能够耐受大电压、大电流,大幅削减工作时以热量形式散发的功率损耗。与硅制产品相比,理论上可减少70%的功率损耗。

  三菱电机从1990年代开始研发SiC功率半导体。2010年,该公司使用SiC功率半导体,在全球率先上市了变频空调。2012年,东京地铁银座线的部分车辆也采用了该公司的产品。与过去相比,车辆系统节能高达38.6%。

  现在,阻碍普及的因素在于成本。碳化硅结晶需要的时间长,价格是硅的几倍甚至十几倍。而且晶圆不易大型化。

  2013年10月,三菱电机开发出了世界上最大的使用碳化硅的功率MOSFET,尺寸为1cm见方。面积是过去的5mm见方的4倍。通过大型化,配备芯片的数量减少,从而可以降低成本。

  作为功率半导体领域的后起之秀,罗姆也在1990年代着手开发碳化硅的产品,并以2009年收购了德国的碳化硅晶圆企业SiCystal,由此,建立起了从碳化硅晶圆到模块的一条龙开发、制造体制。

  2013年。罗姆开始使用碳化硅量产大口径的6英寸晶圆。1枚晶圆可以切割的芯片数量是过去的两倍,提高了生产效率。该公司把功率半导体视为增长的动力之一。碳化硅则是功率半导体的核心。

  与碳化硅同样被看好的还有氮化镓。氮化镓具备的有点可举:比硅更耐受高电压,可以缩短电极之间的距离;发热少,耗电量小;开关速度高压碳化硅。可以支持高频率,因此能够使周边部件小型化。但缺点是不支持大电流、大电压,只适用于家电等输出功率较低的电器。

  功率半导体市场虽然前景光明,但估计今后竞争将激化。

关键字:功率  半导体  领域  节能

编辑:冯超 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/2014/0203/article_9780.html
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