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深圳市瑞申電子有限公司

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貼片功率電感:半導體技術創新應用發展形勢研究分析(二)

時間:2014-12-01 18:10:12 點擊:
 電機是多數白色家電的主要耗電部件,雖然調速控制和變扭矩控制技術在提高電機效率方面的作用早已為人所知,并在工業領域得到廣泛應用,但是在電力半導體出現前,這些技術難以應用于結構緊湊、維功率電感制作護相對不便的家用電器中。例如,具有調速功能的直流電機在配備半導體換向器之前,使用的是機械換向器,而機械換向器的壽命通常不足1000h,并使得驅動電源體積龐大、價格高昂。20世紀70年代末,日本企業將電力半導體技術應用于空調制冷壓縮機的調速控制,基本實現整機10萬h免維修,同時令驅動電源的外形尺寸大大縮小,可放置于空調內部,且價格大幅降低。日本市場在不到10年的時間內基本完成了從定轉速到變頻調速的轉變。雖然變頻電源消耗了約一體電感器打樣 10%的電能,但是利用變頻調速在運行過程中的變速、變扭矩功能,可使住宅空調電力消耗平均降低約30%。同時,在冬季熱泵運行模式下具備大幅度提高制熱量的能力,這也促進了熱泵供熱技術的廣泛應用。

    在變頻器和功率電感變壓器等裝置中起開關作用的電力半導體,如金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET、絕緣柵極型雙極晶體管IGBT和二極管等的技術發展趨勢是,從目前主流的Si半導體材料向SiC和GaN等化合物半導體材料轉變,在提高效率和減少體積方面取得重大進步。

    德國弗勞恩霍夫Fraunhofer應用研究促進協會太陽能系統研究所ISE目前已經將太陽能光伏發電裝置配套的逆變器效率提高到98.5%,新逆變器的功率損失比該機構原有同類逆變器下降了50%左右。該機構在額定功率為5kW的單相逆變器上采用SiC器件替代Si器件,成為效率顯著提高的關鍵。這些SiC器件由美國科銳Cree公司生產,該公司在2010年已經解決了直徑6英寸SiC底板的制造工藝問題,并實現批量生產,為SiC器件制造成本的大幅下降創造了條件。

    新型半導體器件的較高效率提升主要是因為器件內部功耗較低。在相同的電路結構下,將二極管從Si材料換成SiC材料,功耗可降低約30%;如果同時替換晶體管,功耗可降低約50%。功耗降低,發熱量也隨之下降,從而實現電力轉換器件的節能化。

    除功耗低外,GaN和SiC還具備適于小型化的特性。首先,以上述兩種材料制成的器件能夠實現數倍于Si元件的高速開關,使得電感器等外圍電路部件的尺寸大幅下降,從而實現電力轉換裝置電路的小型化。其次,SiC和GaN元件還可在Si元件無法適應的200℃以上的高溫環境下工作,在發熱量相同的情況下,能夠減小電力轉換器件冷卻裝置的外形尺寸。

    隨插件電感器企業著GaN和SiC電力半導體產業化步伐的加快,開發充分利用其特性的新型外圍電路成為當務之急,例如可實現高速工作的驅動電路設計、以高頻開關為前提的電磁噪聲對策等。要使這些電力半導體在超過200℃的高溫環境下工作,除了采用耐熱性高且低價位的焊錫材料,在芯片安裝方面,還需采用耐高溫的封裝材料。這些外圍電路技術的進步,是發揮GaN和SiC器件效力的關鍵。


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