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功率半导体应用提速 电源管理芯片一马当先 (1)

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  科学技术的飞速发展,使半导体技术形成两大分支:一个是以大规模集成电路为核心的微电子技术,实现对信息的处理、存储与转换;另一个则是以功率半导体器件为主,实现对电能的处理与变换。功率半导体器件与大规模集成电路一样具有重要价值,在国民经济和社会生活中具有不可替代的关键作用。

  电力、电子两大领域并行发展

  功率半导体器件在其发展的初期(上世纪60年代-80年代)主要应用于工业和电力系统,近二十年来,随着4C产业(通信、计算机、消费电子、汽车)的蓬勃发展,功率半导体器件的应用范围有了大幅度的扩展,已渗透到国民经济与国防建设的各个领域,其技术已成为航空、航天、火车、汽车、通讯、计算机、消费类电子、工业自动化和其他科学与工业部门的至关重要的基础。

  过去,通常把大规模集成电路和功率半导体器件的关系比喻为大脑和四肢,因为大规模集成电路的作用是接受和处理信息,而功率器件则根据这些信息指令产生控制功率,去驱动相关电机进行所需的工作。上世纪80年代以后,随着新型功率半导体器件如VDMOS、IGBT及功率集成电路的兴起,功率半导体器件步入一个新的领域,除了驱动电机之外,其为信息系统提供电源的功能也越来越引人注目。因此,功率半导体器件在系统中的地位已不仅限于“四肢”,而是为整个系统“供血”的“心脏”。

  概括而言,功率半导体器件的技术领域主要分为两大门类,即以发电、变电、输电为代表的电力领域和以电源管理应用为代表的电子领域。随着技术的进步,这两大领域的功率半导体器件正沿着不同的路径发展。在电力领域,功率半导体器件以超大功率晶闸管、IGCT技术为代表,继续向高电压、大电流的方向发展;而在电子领域,电源管理器件则倾向于集成化、智能化以及更高的频率和精度。北京工业大学电子信息与控制工程学院亢宝位教授在接受《中国电子报》记者采访时表示:“功率半导体器件的这两大技术领域由于用途各异,不存在谁替代谁的问题,两个领域的技术发展是并行不悖的。”不过,亢宝位同时也指出,由于历史的原因,按照很早以前的管理体制,电力领域归原机械部系统管理,而电子领域归原电子工业部门管理,原有挂靠在两个管理系统的企业、学会、协会等社会网络需要加强合作、加速融合,以促进我国的功率半导体产业快速发展。

  促进节能及产业升级

  使用功率半导体器件的最根本的目的,一是为了将电压、电流、频率转换到负载所需要的数值,二是为了更有效地利用电能。

  功率半导体器件的广泛应用可以实现对电能的传输转换及最佳控制,大幅度提高工业生产效率、产品质量和产品性能,大幅度节约电能、降低原材料消耗,因此,它已经愈加明显地成为加速实现我国能源、通信、交通等量大面广基础产业的技术改造和技术进步的支柱。例如在绿色照明工程中,在节能灯中使用VDMOS产品将提高节能灯的性能及寿命,彻底纠正节能灯在人们头脑中留下的寿命短、节电不省钱的印象,使节能灯应用到千家万户。IGBT的出现及在空调、UPS电源等中的广泛应用,使效率得到大幅提高,同时体积也大幅缩小。如逆变焊机原来要两个人才能拿动,采用了IGBT器件之后,体积只有书包大小,重量仅为几公斤,同时其性能、效率及可靠性等也得到质的改进。

  功率半导体器件的应用对于节约能源具有深远影响。在人类所消耗的电能中有75%需经功率半导体器件转换成一定的形式后才可供最终设备使用。新型功率半导体器件能较大地提高转换效率,达到节能的目的。如电动机采用变频调速可节电20%以上。各种风机、水泵电机的总耗电量约占全国发电量的36%,如采用变频调速技术,每年可节电659亿度,相当于三个葛洲坝电站的发电量。亢宝位告诉本报记者,如果全国电机的驱动都采用功率半导体进行变频调速,则全国总用电需求量将降低15%到20%。

  本土企业有机会

  按器件结构划分,功率半导体器件可分为功率集成电路和功率分立器件。功率集成电路虽然使用历史较短,但其发展势头远远超过功率分立器件。

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