山东天岳:半导体碳化硅应用实现节能重大突破

技术在有效降低器件自身功耗的同时,还可以直接或间接地提高系统其他部件的能效,在能量的传递和使用过程中,起到监测、调节、优化和控制的作用,达到更高效、更节能、更环保的利用能源。半导体碳化硅材料的发展应用前景非常广阔,应用范围正从传统的工业控制领域(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子)逐步扩展到国民经济与国防建设的各个方面。

　　据统计,在全球能源消耗构成比例中,家电和信息通讯领域分别占16%和14%,而电机领域则占据了能源消耗的"半壁江山",达51%之多。可见,对电机的节能改进成为降低能源消耗的重要工作。

　　通过应用变频调速技术改变电机驱动方式,使电机在最节能的转速下运行,可大大降低轻载运行时的能量消耗。以变频家电为例,通过集成功率器件及其驱动保护芯片后,变频空调比定速空调节电20%—30%;变频冰箱比常规冰箱节电50%左右。在其他领域,一个小小的半导体碳化硅功率器件则能使石化系统实现节能46%,冶金系统节能42%,城市供排水系统节能45%,化工系统节能24%。我国目前风机、水泵、压缩机系统总装机容量约1.6亿千瓦,年耗电近5000亿千瓦时,如果改变调节方式,可实现节能10%—15%,约为500亿—700亿千瓦时,如此惊人的数字也都归功于半导体碳化硅功率器件。在5千伏以上的高压应用领域,半导体碳化硅功率器件在开关损耗与浪涌电压上均有应用,开关损耗最大可降低92%。半导体碳化硅功率器件功耗降低效果明显,设备的发热量大幅减少,使得设备的冷却机构进一步简化,进而大幅度降低电机的体积和重量。同时,随着电机冷却机构简化,制作散热器所用金属材料也相对减少,这也将有效缓解铜、铁及石油等多种资源供求不平的严峻形势。

　　未来,半导体碳化硅材料制作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向,成为节能设备最核心的部件,因此半导体碳化硅功率器件也被业界誉为功率变流装置的"CPU"、绿色经济的"核芯"。

　　除了电机之外,混合动力汽车和电动汽车(HEV/EV)也是半导体碳化硅材料应用的另一个重要领域。本世纪以来,我国经济持续增长,汽车普及率逐年上升,已成为全球汽车产销第一大国,油费也已成为有车一族的一项大额生活支出。

　　2004年,我国成为世界第二大石油进口国,2011年全年我国原油表观消费量在4.54亿吨左右,是全球原油消费增长最快的国家。随着全球石油储存量的减少,国际油价的不断飙升,新能源汽车无疑将是未来汽车业发展的主要方向。

　　新能源汽车产业要求逆变器(即马达驱动)的半导体功率模块,在处理高强度电流时,具有远超出普通工业用途逆变器的可靠性；在大电流功率模块中,具有更好的散热性,高效、快速、耐高温、可靠性高的半导体碳化硅模块完全符合新能源汽车要求。半导体碳化硅功率模块小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失,使其在200摄氏度高温下仍能正常工作,热容进一步减少。更轻、更小的设备更使新能源汽车的载重压力变小,进一步减小能量耗费,促进节能环保。

　　目前,德国英飞凌公司针对纯电动和插电式混合动力车,研制出的半导体碳化硅功率模块,将功率范围控制在20—80千瓦；采用沟槽栅和场截止层等国际最先进技术,降低饱和电压,维持开关速度,减小芯片厚度,增大功率密度。另外,通过改进模块内部的焊线工艺,将结温提高到150摄氏度或175摄氏度,增加了功率循环次数,提高了可靠性,大大降低了能耗。

　　半导体碳化硅材料除了在上述电机及新能源汽车节能中占有重要地位外,在高铁、太阳能、风能、电力输送、UPS不间断电源等电力电子领域均起到了卓越的节能环保作用。

　　更明亮、更清晰、

　　更节能的光电子设备

　　发光二极管(LED)是利用半导体中电子与空穴复合发光的一种电子元器件,是一种节能环保的冷光源。从20世纪60年代初第一只LED诞生以来,经过40多年的努力,已经实现了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色LED的生产和应用。特别是1994年高亮度蓝光LED的诞生,拉开了半导体照明灯(白光LED)逐步替代现有的白炽灯、日光灯作通用照明光源的序幕,引发照明工业的又一场革命。

目前,可用于批量生产半导体照明灯外延片的衬底材料仅有蓝宝石和碳化硅材料。碳化硅材料具有与氮化镓晶格失配孝热导率高、器件尺寸孝抗静电能力强、可靠性高等优点,是氮化镓系外延材料的理想衬底,由于其良好的热导率(导热性能比蓝宝石衬底高出10倍以上),解决了功率型氮化镓LED器件的散热问题,特别适合用于制备大功率的半导体照明用LED。使用碳化硅材料作为衬底的芯片电极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的