半导体技术创新应用 家用电器低碳化技术

　　半导体器件的发明和应用深刻地改变了近50年的人类历史发展进程。进入21世纪，半导体器件无处不在，已成为构筑信息化社会的基石。同时，电力半导体在提高电力转换效率方面的作用使之成为构筑低碳社会的基石。半导体技术的节能效果是显而易见的。世界首台采用电子管的电子计算机ENIAC重达30吨，耗电量高达200kW，而如今具有同样功能的半导体计算设备重量仅为几克，耗电量不足1W。同时，电力半导体在太阳能光伏和风力发电装置的电能转换、储存、输送过程中发挥着关键性作用。可见，可再生能源利用和能源转换装置效率的提高都离不开半导体技术的创新应用。
　　
　　硅(Si)器件经历了多年的发展已经改变了家用电器的面貌，直流调速技术已经成为家用空调以及其他电机提高效率的主要技术措施。值得关注的是，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和氧化镓(Ga2O3)等新型器件的技术发展，除可通过减少器件能耗提高电力转换效率之外，将在缩小外形尺寸、提高耐热性能等方面促进家用电器技术发展。
　　
　　提高能源利用效率是一个含义广泛的课题。就家用电器而言，狭义的提高效率主要是提高家用电器在运行过程中的能源利用效率。目前，各国基本已对家用电器的能源利用效率展开监管，能效标签、能效等级制度是较为常见的监管方式。而广义的提高效率还需要考虑制造过程的能源消耗、原材料能耗、运行过程中间接的能效影响。本文讨论的效率问题仅限于狭义范围，且只针对利用技术进步实现能源利用效率提高的措施，并将着重阐述电力半导体对提高家用电器能源利用效率的作用。
　　
　　电力半导体的材料替代
　　
　　家庭用电约占美国社会总用电量的1/3。据预测，未来10年，美国家庭数量将增长11%，而得益于电力半导体技术，美国家庭用电量将仅增加6%。有调查报告指出：美国所有电力应用中的6%~10%是电源从交流(AC)转换为直流(DC)，由于现有电源效率欠佳，美国电力总消耗的3%~4%是在电源内部消耗的;以改进产品设计、使用微电子控制器件以及场效应管(FET)和二极管等电力半导体来提高电源效率，可以节省美国电力总消耗的1%~2%。这意味着电力半导体技术具有每年节省30亿~60亿美元的潜能。
　　
　　如今，电力半导体技术的发展不仅体现在应用日益广泛的高效率LED照明器具上，即使在空调、冰箱、洗衣机、电磁灶等大功率家电领域，电力半导体的应用也已超出控制器驱动电源的范围。大功率电力半导体驱动技术改变了产品原有的运行方式和能量转换过程，节能效果显著。提高家用电器的电源转换效率和降低待机能耗是目前普遍采用的节能措施。半导体制造企业、电力转换部件制造企业以及家用电器整机制造企业正在努力使这些损耗变得更小。
　　
　　电机是多数白色家电的主要耗电部件，虽然调速控制和变扭矩控制技术在提高电机效率方面的作用早已为人所知，并在工业领域得到广泛应用，但是在电力半导体出现前，这些技术难以应用于结构紧凑、维护相对不便的家用电器中。例如，具有调速功能的直流电机在配备半导体换向器之前，使用的是机械换向器，而机械换向器的寿命通常不足1000h，并使得驱动电源体积庞大、价格高昂。20世纪70年代末，日本企业将电力半导体技术应用于空调制冷压缩机的调速控制，基本实现整机10万h免维修，同时令驱动电源的外形尺寸大大缩小，可放置于空调内部，且价格大幅降低。日本市场在不到10年的时间内基本完成了从定转速到变频调速的转变。虽然变频电源消耗了约10%的电能，但是利用变频调速在运行过程中的变速、变扭矩功能，可使住宅空调电力消耗平均降低约30%。同时，在冬季热泵运行模式下具备大幅度提高制热量的能力，这也促进了热泵供热技术的广泛应用。
　　
　　在变频器和变压器等装置中起开关作用的电力半导体，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅极型双极晶体管(IGBT)和二极管等的技术发展趋势是，从目前主流的Si半导体材料向SiC和GaN等化合物半导体材料转变，在提高效率和减少体积方面取得重大进步。
　　
　　德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)应用研究促进协会太阳能系统研究所(ISE)目前已经将太阳能光伏发电装置配套的逆变器效率提高到98.5%，新逆变器的功率损失比该机构原有同类逆变器下降了50%左右。该机构在额定功率为5kW的单相逆变器上采用SiC器件替代Si器件，成为效率显著提高的关键。这些SiC器件由美国科锐(Cree)公司生产，该公司在2010年已经解决了直径6英寸SiC底板的制造工艺问题，并实现批量生产，为SiC器件制造成本的大幅下降创造了条件。
　　
　　新型半导体器件的较高效率提升主要是因为器件内部功耗较低。在相同的电路结构下，将二极管从Si材料换成SiC材料，功耗可降低约30%;如果同时替换晶体管，功耗可降低约50%。功耗降低，发热量也随之下降，从而实现电力转换器件的节能化。
　　
　　除功耗低外，GaN和SiC还具备适于小型化的特性。首先，以上述两种材料制成的器件能够实现数倍于Si元件的高速开关，使得电感器等外围电路部件的尺寸大幅下降，从而实现电力转换装置电路的小型化。其次，SiC和GaN元件还可在Si元件无法适应的200℃以上的高温环境下工作，在发热量相同的情况下，能够减小电力转换器件冷却装置的外形尺寸。
　　
　　随着GaN和SiC电力半导体产业化步伐的加快，开发充分利用其特性的新型外围电路成为当务之急，例如可实现高速工作的驱动电路设计、以高频开关为前提的电磁噪声对策等。要使这些电力半导体在超过200℃的高温环境下工作，除了采用耐热性高且低价位的焊锡材料，在芯片安装方面，还需采用耐高温的封装材料。这些外围电路技术的进步，是发挥GaN和SiC器件效力的关键。