日本節能技術戰略中新型電力電子器件的發展規劃

分類：解決方案日期：2009-06-10 09:29:17 來源：廠商

1 引言

日本經濟產業省2008年4月發布的《節能技術戰略》中，提出了以下五項節能技術：

（1）超級燃燒系統技術——提高燃燒效率；

（2）超越時空能量利用技術——儲能；

（3）信息化社會生活領域節能技術；

（4）先進交通運輸節能技術；

（5）采用電力電子節能技術。

其中，將電力電子技術列為五個重要節能技術之一，亦即確認電力電子技術在節能技術戰略中的重要地位。該技術是可提高眾多機電設備的能源利用效率來實現節能的。

2 新型電力電子器件及其應用裝置的發展規劃

當前以硅為核心器件節能技術外，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等新型電力電子器件和裝置有望實現工業化應用，這將為今后發展帶來創新型技術突破。與Si相比，SiC和GaN器件可降低損耗。根據結晶生長的難易。成本高低以及熱導率的不同，其適用領域有所不同。GaN適用于高頻中等耐壓領域，而SiC則適用于高壓大電流領域。

（1）據報道，采用SiC器件的各種電能變換裝置，在混合動力汽車和電動汽車等交通運輸行業，可提高效率約2-10％（隨負荷狀態而變化），在計算機電源中，可提高效率4-5％，在水泵、風機電動機驅動中，可望提高效率約2％，在電力領域，可明顯降低電力損耗。

SiC功率器件是最近幾年才有突破性進展的，在器件制造技術方面，仍要提高，諸如外延層的穩定生長，大口徑、高品質晶片的低成本化。其次，還要確立制造高效器件工藝技術，解決更高運作溫度的封裝，軟開關及高頻對策等外圍技術問題。

（2）關于GaN，期望它比SiC具有更高工作頻率的功率器件，能面向通信、電力變換、航空、宇航等應用領域。

（3）寶石器件又被稱作較理想的器件，美國，日本都在進行研究開發。
在器件制造方面，日本提出三個指標：①晶片的大口徑化；②晶片的低缺陷化，即要減小位錯密度；②降低導通阻抗，提高耐壓性。

規劃的指標和進度見圖表1。

（4）應用裝置

·為了擴大電力電子技術應用，日本確定電力變換裝置高功率密度化，具體目標是：

2010年10W/CC,2017年50W/CC,2025年100W/CC。

·高效率逆變器：日本安川電機已開發了SiC逆變器，今后開發的目標是：①超低損耗的SiC開關元件（常關斷型M0SFET）；②提高逆變器設計技術。

3 新型電力電子器件將擴大應用的領域

日、美、歐在技術開發上競爭十分激烈。在襯底晶片市場供應上，一些企業有壟斷地位，而日本在工藝、器件、封裝技術上，處于領先水平。為了在電力電子技術上獲得國際競爭力，日本計劃發揮本國優勢，以企業集團方式投入資金，設備和人力，與有關方面結成網絡化，有效地推進技術開發。結合技術開發，推進面向國際標準化的成果推廣與普及。

（1）根據日本《節能技術戰略2008》規劃，電力電子器件及其應用裝置的主要推廣應用領域如下：

·SiC器件：當前應用于大電力設備、工業設備、分布式電源、家電、信息設備、IGBT降低損耗、用于高速鐵路牽引電源系統。

·SiC和GaN器件：從2012-2015年開始逐步在以下領域普及應用：

①SiC功率器件/逆變器：

家電、分布式電源、工業設備、汽車與混合動力車（HEV）、電動車（EV）、開關元件、電氣機車、配電低壓電器、信息設備（整流元件）。

②GaN功率器件/逆變器

家電、分布式電源、無線電地面站（開關元件）、車載雷達等以及信息設備（整流元件）。

③寶石器件：將于2020年后用于信息設備，低壓配電儀器。

（2）隨著器件性能的提高，將擴大應用領域為：

·功率器件封裝高密度化，系統模塊化和機電一體化后，主要用于高壓電源，信息設備電源。

·電流密度增大后，主要用于通用逆變器，混合動力汽車（HEV）。

·器件高耐熱性及高頻化后，主要用于雷達、通信基地、移動電話基地。