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
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