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新一代功率半导体崭露头角:功率半导体走向新时代
2012-07-03

  “功率半导体”多被用于转换器及逆变器等电力转换器进行电力控制。目前,功率半导体材料正迎来材料更新换代,这些新材料就是sic(碳化硅)和gan(氮化镓),二者的物理特性均优于现在使用的si(硅),作为“节能王牌”受到了电力公司、汽车厂商和电子厂商等的极大期待。将si换成gan或sic等化合物半导体,可大幅提高产品效率并缩小尺寸,这是si功率半导体元件(以下简称功率元件)无法实现的。

  目前,很多领域都将si二极管、mosfet及igbt(绝缘栅双极晶体管)等晶体管用作功率元件,比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被gan和sic所替代。

  例如,sic已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。

  电能损失可降低50%以上

  利用以gan和sic为材料的功率元件之所以能降低电能损失,是因为可以降低导通时的损失和开关损失。比如,逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件,仅将二极管材料由si换成sic,逆变器的电能损失就可以降低15~30%左右,如果晶体管材料也换成sic,则电能损失可降低一半以上。

  有助于产品实现小型化

  电能损失降低,发热量就会相应减少,因此可实现电力转换器的小型化。利用gan和sic制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性:可进行高速开关动作和耐热性较高。

  gan和sic功率元件能以si功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高,电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。

  耐热性方面,si功率元件在200℃就达到了极限,而gan和sic功率元件均能在温度更高的环境下工作,这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

  这些优点源于gan和sic具备的物理特性。与si相比,二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。

编辑:李杰

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