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功率半导体的前途与阻碍

导读: 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。

  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。

  首先,双晶体管是由3个端子组成的半导体,利用输入电流控制扩大和开关。虽然放大率高,适合处理较大电流,但也存在开关速度慢的缺点。

  其次,功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)是利用输入电压控制动作。耗电量较小,能够实现高速开关。但处理大电流时损耗大。

  最后是IGBT(绝缘栅双极晶体管),在一个半导体元件(芯片)上集成双极晶体管和MOSFET而构成。不仅耗电量小,能够处理大电流。而且可以实现高速开关。

  通过大型化降低成本

  用来提高功率半导体能源利用效率的是使用新材料的新一代产品。其中有望成为主流的是使用碳化硅的产品。与硅相比,碳化硅能够耐受大电压、大电流,大幅削减工作时以热量形式散发的功率损耗。与硅制产品相比,理论上可减少70%的功率损耗。

  三菱电机从1990年代开始研发SiC功率半导体。2010年,该公司使用SiC功率半导体,在全球率先上市了变频空调。2012年,东京地铁银座线的部分车辆也采用了该公司的产品。与过去相比,车辆系统节能高达38.6%。

  现在,阻碍普及的因素在于成本。碳化硅结晶需要的时间长,价格是硅的几倍甚至十几倍。而且晶圆不易大型化。

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