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春华秋实:“充电5分钟通话2小时”的秘密

iNews 2022-08-01 16:03:00



武汉新能源研究院,已在创新奔跑中,步入第六个年头。


2016年,我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科,以成果转化为核心使命,市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼,成为了光谷乃至湖北的创新地标。


过去六年,新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索:清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新,在这里发生;一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。


当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角,并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城,一批大科学装置规划,都与新能源密不可分。可以说,这是一场关于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共创低碳中国,更是未来城市角逐的主战场。


2022年,我们带着「INEW能见」专栏来了,在这里,每周和你分享我们的创新故事,能见=看见,能源未来。新能源创新发展之路,道阻且长,这是我们的使命,更是新的长征。



宽禁带功率半导体时代的氮化镓猜想
“充电5分钟通话2小时”的秘密


2020年7月,OPPO正式发布125W超级闪充。该技术5分钟即可将等效4000mAh电池能量的手机充至41%,20分钟完全充满。


多年前,OPPO凭借“充电5分钟,通话2小时”的广告语深入人心。而现在,充电5分钟,可以刷剧4小时。


在这背后,氮化镓(GaN)材料的功劳功不可没。早前2月份,小米也曾发布采用氮化镓技术的充电器。由于氮化镓材料具备高功率、高频率、高导热等优势,所做充电芯片能在输出大功率的同时保持充电器体积可控,目前国内已有多家厂商布局了氮化镓快充。


有数据称,2025年,全球氮化镓快充市场规模有望超过600亿元。


在华中科技大学电气与电子工程学院,一项围绕氮化镓的宽禁带功率半导体成果,正在从实验室走向市场化。


2020年10月,武汉羿变电气有限公司在武汉新能源研究院注册成立。而推动这一成果转化的,是该院电力电子与能量管理教育部重点实验室主任、博士生导师康勇。


突破功率半导体的硅基极限


▲ 羿变电气生产的功率半导体模块芯片萃取贴片



过去几十年,康勇一直致力于电力电子与电力传动领域的研究,先后承担了国家和省部级100多项科研项目。尤其在宽禁带半导体器件封装、集成及应用,新能源发电装备与系统研究,电能质量控制,交直流传动,电磁兼容技术等方面,付出了极大心血。


他说,电力电子主要是研究如何用功率半导体器件来处理电能。与手机、电脑中处理信息的半导体不同,功率半导体是用半导体来处理电能。比如新能源发电中的太阳能,光伏出来是直流电,要并网就要变成交流电;风力发电因为风速不同、转速不同,发电频率也不一样,但是电网是恒频的,我们必须先把变频交流电转化为恒频交流电,才能并入电网输电。从发电、输电到配电,在整个电能利用中,都会用到电能处理技术。


传统的电能处理手段比较耗能和笨重,用功率半导体来处理电能变换的需求,是最近几十年一直在发展的新技术。“高压、大电流、速度快——这就是对功率半导体的要求。”


但是,一个公认的矛盾是:用硅做功率半导体,几乎已经到了材料的性能极限。想在硅基上做出更好的功率半导体器件,已无法突破。


在这一背景下,宽禁带半导体,也就是现在常说的第三代半导体,横空出世。科学家们开始探讨用碳化硅和氮化镓材料来替代硅,并且正在走向成熟。


第一代半导体以硅(Si)、锗(Ge)为代表,应用领域主要在尖端的CPU、GPU、存储芯片、以及各种充电器中的功率器件等。


第二代半导体以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)为代表,主要应用领域为光电子、微电子、微波功率器件等。


第三代半导体则以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表,主要应用于功率器件、光电子、射频等。


不过,第三代半导体和第二代、第一代之间并不是简单的迭代关系,它们的应用场景有交叉,但不完全重合。


康勇介绍,氮化镓目前主要商用是手机快充技术。处理电能的器件性能极大提升以后,“水管”变粗了,“水流”变大了,效率极大提高,损耗也更小。“当然,还有电池等技术的突破,首先电池得受得了,其次你还得供得出这么大的电流。”


而碳化硅的第一次大规模商业化应用,是特斯拉电动汽车的驱动系统。自从特斯拉推出Model 3,并在逆变器模组上采用碳化硅后,碳化硅这类新型半导体材料便越来越受重视。而在过去,仅是在军工、太空探测器等领域,小规模试用。


日本第二代高铁能跑350公里/小时,车重轻了11吨,一个重要原因就是借助了新材料,提供了耐高温、耐高压的性能。


瞄准先进半导体封装与集成



▲ 羿变电气超净间实验室忙碌的一角



2014年,华中科技大学电气与电子工程学院,建立先进半导体与封装集成实验室。

该实验室依托强电磁工程与新技术国家重点实验室、电力电子与能量管理教育部重点实验室,旨在打造国内一流的功率半导体器件及封装研究平台。

“半导体的产业链非常长,没有一个国家能够掌握全部核心技术。”康勇表示,我们不做晶圆,我们重点研究的是功率半导体的封装技术。封装是半导体产业链的最后一步,不过与信息半导体的封装不同,功率半导体封装后的器件需要承受高电压、大电流和高温,因此在封装工艺和封装结构上,两者有很大差异。如果希望功率半导体发挥更好的性能,对封装性能就会有很多新的要求。

当前,国外许多半导体器件都对中国实施出口限制,比如用于航空的高温驱动器,但晶圆裸片不受限制。航空高温驱动器要求变换器功率能承受300℃高温,而一般变换器的芯片,温度承受极限在150℃以下。“我们实验室要做的事情就是通过封装技术的突破,做出性能更好的半导体器件,诸如高温驱动器。甚至直接将芯片集成做出装备。”

他从实验箱里拿起一个器件说,你看,这是一个1200伏、300安的碳化硅半导体器件,根据需要你还可以做成600安、900安,氮化镓也是一样。电能的处理和控制,最后靠的就是这个半导体器件。

宽禁带半导体的速度更快,比传统硅基半导体要高得多。封装技术的好坏,会直接影响功率半导体芯片性能的发挥。衡量信息半导体技术进步的是线宽,而功率半导体是回路电感。


一些主要指标,如处理同样的电压和电流,尺寸能不能封装得更小?回路电感能不能更小?硅的电感为几十微亨,碳化硅和氮化镓的电感,则要达到几微亨甚至更低量级。回路电感越小,处理电能的优势就越明显。


从实验室到市场的“羿变”


▲ 羿变电气超净间实验室忙碌的一角


虽然氮化镓技术在快充市场惊艳登场,但目前中国氮化镓功率应用市场,仍处于起步阶段。市场对于氮化镓认识不够,没有规模化应用,以致成本较高。但康勇坚信,氮化镓和碳化硅代表着这一行业的未来。

“8年前我们建立先进半导体与封装集成实验室做这个事情,就是因为看到了瓶颈和前景。”他说,瓶颈是我们已经没有办法在传统硅基材料上,做出行业需要的极致产品,老的封装技术已无法适应新的功率半导体器件。行业总会不断提出新的需求,比方说希望效率更高、损耗更小。在功率变换的时候,总会有损耗,硅可能会损耗5%-6%,行业却希望将损耗降至1%-2%、甚至更低,重量体积也要更小。“老的东西不管怎么做,效率都提不到足够高,那就必须用新技术替代。”

成果研发过程中,让康勇觉得最艰难的,一是交叉学科在学科界限上的横向打通,二是一项新的技术很难得到大的支持。“我们大概有4年时间没有任何外部项目,只能自己埋头做,靠学校学科建设资金、实验室资金和学科项目结余支撑。”

直至2018年以后,才陆续有人带着项目找过来。许多想利用宽禁带功率半导体器件来提高性能的研究机构,也纷纷登门寻求新技术的合作。

但他同样意识到,学校的实验室,只能做出样品,却做不出产品。想要让成果走向市场,就必须跳出“母体”,在外面组织产品化和工艺化的专业队伍,同时引入社会资本,让市场说了算。

2020年10月,这枚果实,终于到了瓜熟蒂落的时刻。

羿变电气在武汉新能源研究院成立,注册资本2000万元,康勇团队的专利成果以无形资产作价600万元入股。其中,30%归学校,70%归团队。其余1400万元由校友投资。

为什么入孵能源院,与康勇的另一个身份密不可分:他曾担任武汉新能源研究院院长,对这个平台充满了信任与情感。加之工研院的首要使命就是推动成果转化,他希望自己播下的这粒科技“种子”,能在自己曾经耕耘过的创新土地上,更好地生根发芽。

谈到羿变电气未来将成为一家什么样的公司,康勇脱口而出:“把最好的技术转化为最好的产品。”他说,现在航空、潜艇、无人机、深海设备等,对高技术含量的电力电子需求非常大,从科研角度,我们有很多产品性能,已经可以与全球顶尖指标比肩。但是从产业角度,一个公司刚起步,不可能把每个成果立刻产品化,并打入市场。我们会选择技术水平很高、但市场不那么大的定制化产品先起步。

“同时我们也要向国际上先进的大公司虚心学习,比如全球功率半导体的龙头企业德国英飞凌。只有站在全球化的肩膀上,才能做出具有全球竞争力的技术和产品。”