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。