其中,功率晶体管具有“放大”和“开关”的作用。放大是指将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。
首先,双极晶体管是由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。但处理大电流时的损耗大。
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。
用来提高功率半导体能量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。
2013年10月,三菱电机开发出了世界上最大的使用碳化硅的功率MOSFET,尺寸为1cm见方。面积是过去的5mm见方的4倍。通过大型化,配备芯片的数量减少,从而可以降低成本。
作为功率半导体领域的后起之秀,罗姆也在1990年代着手开发使用碳化硅的产品。并于2009年收购了德国的碳化硅晶圆企业SiCrystal,由此,建立起了从碳化硅晶圆到模块的一条龙开发、制造体制。
2013年,罗姆开始使用碳化硅量产大口径的6英寸晶圆。1枚晶圆可以切割的芯片数量是过去的两倍,提高了生产效率。该公司把功率半导体视为增长的动力之一。碳化硅则是功率半导体的核心。
与碳化硅同样被看好的还有氮化镓。氮化镓具备的优点可举:比硅更耐受高电压,可以缩短电极之间的距离;发热少,耗电量也小;开关速度高于碳化硅,可以支持高频率,因此能够使周边部件小型化。但缺点是不支持大电流、大电压,只适用于家电等输出功率较低的电器。
功率半导体市场虽然前景光明,但估计今后竞争将激化。2013年11月,富士通与富士通半导体发布新闻称,该公司与美国Transphorm公司整合了氮化镓功率半导体业务,社会为之沸然。富士通的研发团队和知识产权转移到Transphorm,富士通半导体则转变体制,专门承接制造和销售业务。这在实质上是业务转让。
富士通半导体功率器件业务部长浅井祥守说:“我们觉得,大批的量产订单即将到来,现在正是作出决断的时机。”
富士经济表示,到2020年,新一代功率半导体的全球市场将扩大到1909亿日元,约为2012年的25倍。2014年到2015年预计将是全面普及的时期,企业之间的合纵连横作战如今已经打响。(作者:外薗 祐理子,日经技术在线!供稿)
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