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贴片功率电感:半导体技术创新应用发展形势研究分析(二)

时间:2014-12-01 18:10:12 点击:
 电机是多数白色家电的主要耗电部件,虽然调速控制和变扭矩控制技术在提高电机效率方面的作用早已为人所知,并在工业领域得到广泛应用,但是在电力半导体出现前,这些技术难以应用于结构紧凑、维功率电感制作护相对不便的家用电器中。例如,具有调速功能的直流电机在配备半导体换向器之前,使用的是机械换向器,而机械换向器的寿命通常不足1000h,并使得驱动电源体积庞大、价格高昂。20世纪70年代末,日本企业将电力半导体技术应用于空调制冷压缩机的调速控制,基本实现整机10万h免维修,同时令驱动电源的外形尺寸大大缩小,可放置于空调内部,且价格大幅降低。日本市场在不到10年的时间内基本完成了从定转速到变频调速的转变。虽然变频电源消耗了约一体电感器打样 10%的电能,但是利用变频调速在运行过程中的变速、变扭矩功能,可使住宅空调电力消耗平均降低约30%。同时,在冬季热泵运行模式下具备大幅度提高制热量的能力,这也促进了热泵供热技术的广泛应用。

    在变频器和功率电感变压器等装置中起开关作用的电力半导体,如金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅极型双极晶体管IGBT和二极管等的技术发展趋势是,从目前主流的Si半导体材料向SiC和GaN等化合物半导体材料转变,在提高效率和减少体积方面取得重大进步。

    德国弗劳恩霍夫Fraunhofer应用研究促进协会太阳能系统研究所ISE目前已经将太阳能光伏发电装置配套的逆变器效率提高到98.5%,新逆变器的功率损失比该机构原有同类逆变器下降了50%左右。该机构在额定功率为5kW的单相逆变器上采用SiC器件替代Si器件,成为效率显著提高的关键。这些SiC器件由美国科锐Cree公司生产,该公司在2010年已经解决了直径6英寸SiC底板的制造工艺问题,并实现批量生产,为SiC器件制造成本的大幅下降创造了条件。

    新型半导体器件的较高效率提升主要是因为器件内部功耗较低。在相同的电路结构下,将二极管从Si材料换成SiC材料,功耗可降低约30%;如果同时替换晶体管,功耗可降低约50%。功耗降低,发热量也随之下降,从而实现电力转换器件的节能化。

    除功耗低外,GaN和SiC还具备适于小型化的特性。首先,以上述两种材料制成的器件能够实现数倍于Si元件的高速开关,使得电感器等外围电路部件的尺寸大幅下降,从而实现电力转换装置电路的小型化。其次,SiC和GaN元件还可在Si元件无法适应的200℃以上的高温环境下工作,在发热量相同的情况下,能够减小电力转换器件冷却装置的外形尺寸。

    随插件电感器企业着GaN和SiC电力半导体产业化步伐的加快,开发充分利用其特性的新型外围电路成为当务之急,例如可实现高速工作的驱动电路设计、以高频开关为前提的电磁噪声对策等。要使这些电力半导体在超过200℃的高温环境下工作,除了采用耐热性高且低价位的焊锡材料,在芯片安装方面,还需采用耐高温的封装材料。这些外围电路技术的进步,是发挥GaN和SiC器件效力的关键。


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