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碳化硅等新材料使功率半導體走向新時代

“功率半導體”多被用于轉換器及逆變器等電力轉換器進行電力控制。目前,功率半導體材料正迎來材料更新換代,這些新材料就是SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵),二者的物理特性均優于現在使用的Si(硅),作為“節能王牌”受到了電力公司、汽車廠商和電子廠商等的極大期待。將Si換成GaN或SiC等化合物半導體,可大幅提高產品效率并縮小尺寸,這是Si功率半導體元件(以下簡稱功率元件)無法實現的。 

    目前,很多領域都將Si二極管、MOSFET及IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等晶體管用作功率元件,比如供電系統、電力機車、混合動力汽車、工廠內的生產設備、光伏發電系統的功率調節器、空調等白色家電、服務器及個人電腦等。這些領域利用的功率元件的材料也許不久就將被GaN和SiC所替代。 
    例如,SiC已開始用于鐵路車輛用馬達的逆變器裝置以及空調等。 
    電能損失可降低50%以上 
    利用以GaN和SiC為材料的功率元件之所以能降低電能損失,是因為可以降低導通時的損失和開關損失。比如,逆變器采用二極管和晶體管作為功率元件,僅將二極管材料由Si換成SiC,逆變器的電能損失就可以降低15~30%左右,如果晶體管材料也換成SiC,則電能損失可降低一半以上。 
    有助于產品實現小型化 
    電能損失降低,發熱量就會相應減少,因此可實現電力轉換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個能使電力轉換器實現小型化的特性:可進行高速開關動作和耐熱性較高。 
    GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數倍的速度進行開關。開關頻率越高,電感器等構成電力轉換器的部件就越容易實現小型化。 
    耐熱性方面,Si功率元件在200℃就達到了極限,而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環境下工作,這樣就可以縮小或者省去電力轉換器的冷卻機構。 
    這些優點源于GaN和SiC具備的物理特性。與Si相比,二者均具備擊穿電壓高、帶隙寬、導熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點。 

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