第三代半导体电力电子器件和产业趋势详解

 

　　

 

 

　　主要应用领域的发展概况

 

　　目前，第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同（见图1）。

 

　

 

　　电力电子器件

 

　　在电力电子领域，宽禁带半导体的应用刚刚起步，市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域，正逐步向民用领域拓展。微波器件方面，GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来，GaN微波器件有望用于4G～5G移动通讯基站等民用领域。功率器件方面，GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压（200～1 200V）， 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源；而SiC基GaN则集中在高压领域（＞1 200V），如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。

 

　　第三代半导体电力电子器件和产业趋势

 

　　在20世纪，硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业，为人们带来了各种强大的电子设备，深刻地改变着每一个人的生活，在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值，利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性，给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料，使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子元件，可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本，允许设备在更高的温度、电压和频率下工作，使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。基于这些优势，宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。

 

　　1、军事方面的应用

 

　　最初，针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。早在1987年，美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司（Cree）的成立，专门从事SiC半导体的研究。随后，美国国防部和能源部先后启动了“宽禁带半导体技术计划”和“氮化物电子下一代技术计划”，积极推动SiC和GaN宽禁带半导体技术的发展。美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争，欧洲和日本也相继开展了相关研究。欧洲开展了面向国防和商业应用的“KORRIGAN”计划和面向高可靠航天应用的“GREAT2”计划。日本则通过“移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发”、“氮化镓半导体低功耗高频器件开发”等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。经过多年的发展，发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果，实现了在军事国防领域的广泛应用。

 

　　由于SiC和GaN两种材料的特性不同，它们的应用领域也有所区别：GaN主要是用作微波器件，而SiC主要是作为大功率高频功率器件。GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍，是制造微波器件的理想材料，被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备，用来提高雷达性能和减小体积。根据报道，美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件，以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达（宙斯盾系统核心雷达）。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统，起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动，能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站，这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t，体积从10m3减少为2.7m3。

 

　　2、民用领域应用

 

　　随着在军事领域的应用逐步成熟，宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域，其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来，信息技术在原有基础上又得到快速发展，大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及，所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测，美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件，绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体，从而可有效减小电子跨越的鸿沟，减少能源损耗。其相关器件的推广应用将给工业电机系统、消费类电子产品、新能源等领域带来深远的影响（见图4）。

 

　　

 

　　图4 宽禁带半导体的应用领域示意图

 

　　（1）工业电机系统

 

　　在传统工业控制领域，交流电机控制、工业传动装置、机车与列车用电源以及供暖系统传动装置等都需要功率器件。对于工业电机系统来说，更高效、更紧凑的宽禁带半导体变频驱动器可使电机的转速实现动态调整，这将使得泵、风机、压缩机及空调系统所用的各类驱动电机变得更加高效、节能。根据报道，在美国，电机系统用电量占制造业的70%左右，通过使用宽禁带半导体变频驱动器，美国每年直接节省的电力相当于100万户美国家庭用电的年消耗量。随着宽禁带半导体变频驱动器的应用逐步扩展，最终节省的电力可供690万户美国家庭使用。

 

　　（2）消费电子产品

 

　　消费电子产品将是宽禁带半导体应用的另一大领域。目前，家庭拥有的电器总量惊人，各类家电通常都需要各种不同的功率器件控制；公共场所空调、照明、装饰、显示、计算机、自动控制等也需要大量的功率器件。笔记本电脑、智能手机、平板电脑、计算机和服务器等消费电子产品所使用的电源转换器虽然单个能耗不大，但其使用数量庞大，损耗总和相当惊人。宽禁带半导体芯片可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失，还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。通过使用宽禁带半导体，美国在此领域节约的电力可供130万户美国家庭使用。

 

　　（3）新能源领域

 

　　为了摆脱对化石燃料的依赖、减少温室气体的排放，各国政府都开始大力发展可再生能源产业。太阳能发电和风能发电系统所产生的电力需要从直流电源转换成交流电，继而才能与电网相连接使用。由于风能的不稳定性，风力发电机输出非固定频率的交流电，需要进行交-直-交的转换才能并网使用。宽禁带半导体逆变器可以使得这个过程的效率更高，美国每年节省的电力足够供美国75万户家庭使用。此外，对于智能电网来说，使用宽禁带半导体制成的逆变器、变压器和晶体管等，有助于克服发电、输电、配电及终端使用所面临的一系列问题，帮助建立一个更智能、更可靠、更具弹性的新一代电网。例如，一个宽禁带半导体逆变器，其性能是传统逆变器性能的4倍，同时成本和质量分别减少50%和25%。对于较大规模的逆变器，宽禁带半导体逆变器的质量可以减轻大约3 600kg。

 

　　在电动汽车和混合动力汽车领域，宽禁带半导体可以把直流快充电站缩小到微波炉一样大小，并减少2/3的电力损失。由于这些电子产品可以承受更高的工作温度，可使得车辆冷却系统的体积减少60%，甚至消除了二次液体冷却系统。

 

　　

 

　　3、产业趋势

 

　　基于宽禁带半导体的广阔应用前景、巨大的市场需求和经济效益，继半导体照明以后，美国将第三代半导体材料的电子电力器件应用提升到国家战略的高度，确保美国在这一领域的优势地位。相对于半导体照明行业，宽禁带半导体在电子电力领域的应用刚刚起步，但预计其潜在市场容量超过300亿美元。

 

　　功率器件方面，2012年全球SiC和GaN基功率器件市场的销售规模仅为1亿多美元，大部分应用集中在电源。其中，SiC基器件的市场规模达到9 000万美元，而GaN基器件仅为1 000多万。2013年，各大企业纷纷推出GaN功率器件样品，这标志着其在民用市场的商业化进程开始加速。随着价格下降和产量的增加，预计市场拐点或将出现在2015年。SiC基器件的价格有望下降到2012年的一半左右，GaN基器件的价格也可能进一步下降，届时市场规模有望接近5亿美元。2020年，市场规模将达到20亿美元，相比2012年提高20倍。微波器件方面，2012年GaN基微波器件市场收入接近9 000万美元，预计GaN整体市场微波及功率器件到2015年达到3.5亿美元。

 

　　我国开展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比较晚，在科技部及军事预研项目的支持下，取得了一定的成果，逐步缩小了与国外先进技术的差距，在军工领域已取得了一些应用。但是，研究的主要成果还停留在实验室阶段，器件性能离国外的报道还有很大差距。目前，已有少数企业成功开发SiC和GaN材料及器件，GaN微波器件和SiC功率器件于2013年进入小批量生产阶段，预计在未来2～3年内将实现量产。