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新一代功率半导体是多个领域节能关键

导读: 功率半导体的作用是转换直流与交流、通过变压等方式高效控制电力,用于充电装置和马达。如今,这种半导体已配备于家电、汽车、工业机械、铁路车辆、输配电装置、光伏和风电系统等,掌握着节能的关键。

  最近几年,在半导体之中,原本在人们眼中“不出彩”的功率半导体成为了关注的焦点。

  功率半导体的作用是转换直流与交流、通过变压等方式高效控制电力,用于充电装置和马达。如今,这种半导体已配备于家电、汽车、工业机械、铁路车辆、输配电装置、光伏和风电系统等,掌握着节能的关键。

  三菱电机半导体器件第一事业部营业战略课长山田正典说“用人体打比方的话,个人店的CPU(中央运算处理装置)和存储器是控制运算和记忆的大脑,而功率半导体则相当于肌肉。”

  因新兴市场国家电力需求增加而受到关注

  技术信息供应商美国IHSGlobal预测称,功率半导体市场将稳定发展。全球市场规模预计在2017年,将从2012年的114亿美元扩大到141亿美元。其中,新兴市场国家的电力需求增加尤为明显。

  美国IHSGlobal日本事务所代表南川明说“以新兴市场国家为中心,中产阶级正在增加,耗电量越来越大。在2020年,很有可能出现电力供求紧张,发生全球性电力危机。”

  有数据显示,工业机械和家电等的马达所使用的电力占到了全球耗电量的55%,欧洲和中国已经公布了关于马达效率的节能标准。

  通过使用精密控制马达转数的逆变器,可以使耗电量减少了4成左右。日本的工业用和家用空调基本全部配备了逆变器,但从世界范围来看,普及率只有区区2成。而逆变器的核心部件就是功率半导体。

  功率半导体之所以受到关注,原因并不只是全球电力需求的增加,还有一个重要因素是最近3年——4年来,新材料接连投入了实用。

  传统半导体的主要材料是硅。而如今作为新一代功率半导体材料,碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)备受期待。如果日本国内的功率半导体全部从硅换成碳化硅,按照原油换算,到2020年可节约能源724万kL。节约的电能相当于7——8座核电站的发电量。

  技术与经验的结晶

  从功率半导体的全球份额来看,三菱电机、东芝、瑞萨电子、富士电机等日本企业名列前茅。美国OHSGlobal日本事务所代表南川说“功率半导体领域比的是技术积累,要涉足该领域绝非易事。日本企业荣誉发挥出优势。”

  在以MCU和存储器等为代表的IC(集成电路)中,微小的电流沿水平方向在晶圆表面高速流动。而功率半导体则是在背面设置电极,沿垂直方向通入大电流。这需要高超的背面加工技术,因而抬高了涉足的门槛。

  而且,功率半导体的用途也成为了一道难关。IC主要应用于个人电脑、电视等消费类产品,容易实现同质化(通用品)、低价格化。而功率半导体大多用于公益,需要按照用途和客户的要求精雕细琢。因此不容易卷入价格竞争。

  功率半导体保护整流二极管、功率晶体管、晶闸管。

  其中,功率晶体管具有“放大”和“开关”的作用。放大是指低频功率变为高频功率,开关是指切换电路的开与关。

  充分利用放大作用,就可以使用小功率驱动马达。切换电路开与关的开关速度越快,越能实现精密控制。

  功率晶体管还可以进一步分成三个种类。

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