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。