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节能社会急需新一代功率半导体

节能社会急需新一代功率半导体(电子工程专辑)

  近年来,国际原油价格高涨,开发节能产品与新能源产品的时机在全球范围内日趋成熟,并且开发目标转向碳减排及非化石燃料。在此形势下,政府、社会大力推进有望取代汽油车的电动汽车(EV)。此外,太阳能及风能等清洁能源技术也被视为节能社会的关键技术,以美国为首的发达国家正积极推行“绿色新政”(Green New Deal)。

  此前,大多数电子产品的发展趋势一直是以消耗更多的电力来实现高性能及多功能。功率半导体在个人电脑(PC)、手机及AV设备等配备的半导体中所占的比例最多只有10%。而在能源产业设备使用的半导体中,功率半导体所占的比例往往会超过50%。可以说,此前在电子设备中作为常识配备的半导体元件已开始急剧发生变化。

  本文中将广义的功率半导体定义为功率管理半导体。除了IGBT(insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极晶体管)、MOSFET、功率双极晶体管(PBT)及功率二极管等分立功率半导体之外,功率管理半导体还包括线性稳压器与开关稳压器等的电源电路,以及用于控制这些电源电路的功率管理用逻辑LSI等。

  2008年,功率管理半导体的市场规模达到了265亿美元(图1)。预计2013年将达到368亿美元。其中,MOSFET与IGBT在2008年分别达到了52亿美元与21亿美元,估计2013年将增至86亿美元和27亿美元。

  2008年的市场规模为265亿美元。

  功率半导体产品的应用趋势

  功率半导体被广泛应用于家电、计算机、汽车及铁路等领域的多种设备。由于这些应用设备有望扩大普及,而且这些设备配备功率半导体的比例也会上升,因此功率半导体市场今后有望稳步增长。

  大多数家电都配备有将直流电转换为交流电的逆变器,逆变器中一定会使用功率半导体。比如,空调通过控制嵌入压缩机(Compressor)的交流马达的转速来调节温度,为了控制马达的转速,需要将频率固定为50Hz或者60Hz的家用商用电力转换为任意频率。利用逆变器将其转换为任意频率,才能实现精确的温度调节及节能。另外,空调是家庭的主要能耗产品之一,从这一意义上来说,空调配备逆变器之后,有望获得较大的节能效果及碳减排效果。不过,虽然为空调配备逆变器在日本已十分普通,但在欧美及中国,配备逆变器的空调今后才会全面普及(图2)。

  使用功率半导体的逆变器是进行精确的频率控制所不可缺少的器件,不仅是空调,目前还被应用于洗衣机、荧光灯及IH(induction heating)烹调器等。用于洗衣机时,可根据衣物的种类及脏污程度控制洗涤桶的运动方式,也可实现节能。用于荧光灯时,通过向荧光管供应数十kHz的高频电力,可减少荧光灯的闪烁现象,同时提高发光效率并实现调光。为了将商用频率的电力转换为高频电力,IH烹调器也配备了逆变器。

  此外,还有很多家电需要使用直流电,这些家电采用了将商用交流电转换为直流电的整流电路(AC-DC转换器),以及为家电配备的各种电子部件提供适当电压及电流的稳压器(DC/DC转换器)等。

  计算机方面,逆变器与充电电池配套使用在不间断电源上。不间断电源被用于计算机及基础设施装置等不允许电压变动或断路的设备。另外,汽车也是一个较多使用功率半导体的应用领域。

  现在的汽车为了实现发动机输出功率的最佳控制,以电子方式控制燃料供应、吸气系统、阀门的开闭以及点火时间等,并利用功率半导体控制上述部件的驱动马达及致动器。另外,汽车还使用功率半导体来控制电动车窗及各种车载电子设备。而且,逆变器已被用于混合动力车及电动汽车的马达控制,目前这方面的需求正在快速扩大。

  此外,还有用于轻轨马达控制的超高耐压功率元件,以及太阳能电池及风力发电用逆变器等。日本的轻轨分为直流马达驱动方式和交流马达驱动方式,新干线采用交流马达驱动方式。这就需要进行断路器控制及逆变器控制。另外,尽管太阳能发电提供的是直流电,风力发电提供的是不稳定的交流电,但均可利用逆变器转换为稳定频率的交流电输送给用户。一个太阳能电池的电压最大为0.5V左右,因此要串联多个电池,然后使用逆变器将其转换为100V交流电压。