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功率半導(dǎo)體是電子產(chǎn)業(yè)鏈中的核心器件之一，其功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大、功率管理等。在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，平均效率通常在84%左右，轉(zhuǎn)換損失主要表現(xiàn)為熱量。這些熱量需要被冷卻，但冷卻技術(shù)往往需要額外的能源消耗，進(jìn)一步加劇能源效率低下。因此需要尋找創(chuàng)新解決方案，提高轉(zhuǎn)換效率，最大限度減少散熱。

隨著云計(jì)算、人工智能等行業(yè)對(duì)電力需求不斷增加，功率轉(zhuǎn)換浪費(fèi)問(wèn)題困擾全球。據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，美國(guó)硅基功率器件開(kāi)發(fā)商iDEAL Semiconductor公司日前宣布開(kāi)發(fā)了一種新方法來(lái)遏制功率轉(zhuǎn)換的浪費(fèi)，其開(kāi)發(fā)的一款新型高效功率芯片可將功率轉(zhuǎn)換浪費(fèi)從16%減少到12.8%，該芯片可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板、家用電器、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電動(dòng)汽車等。

功率半導(dǎo)體又稱電力電子器件，是電子產(chǎn)業(yè)鏈中的核心器件之一，其典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大、功率管理等。如果集成電路芯片是大腦，那么功率半導(dǎo)體器件就是心臟，大腦負(fù)責(zé)處理信息，心臟負(fù)責(zé)給大腦提供能源。

通常，電網(wǎng)以標(biāo)準(zhǔn)電壓（如美國(guó)電壓為120伏）向家庭或企業(yè)輸送電力。根據(jù)實(shí)際使用情況，設(shè)備運(yùn)行的電壓范圍很廣，AI處理器的電壓為0.8伏，電動(dòng)汽車的電壓超過(guò)1000伏，這些設(shè)備都需要芯片將電力轉(zhuǎn)換成可以使用的形式，同時(shí)也不可避免會(huì)造成浪費(fèi)。在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，平均效率通常在84%左右，轉(zhuǎn)換損失主要表現(xiàn)為熱量。這些熱量需要被冷卻，器件才能維持最佳運(yùn)行條件。但冷卻技術(shù)往往需要額外的能源消耗，進(jìn)一步加劇了能源效率低下。因此需要尋找創(chuàng)新解決方案，提高轉(zhuǎn)換效率，最大限度減少散熱。

iDEAL聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官馬克·格拉納漢（Mark Granahan）表示，該公司基于SuperQ技術(shù)開(kāi)發(fā)的高效功率芯片可將功率轉(zhuǎn)換中的浪費(fèi)從16%減少到12.8%。據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，SuperQ技術(shù)借鑒了光伏電池的一些想法，格拉納漢認(rèn)為半導(dǎo)體薄膜處理工藝可用于新一代硅基功率芯片，將這項(xiàng)技術(shù)與最先進(jìn)的數(shù)字邏輯芯片制造設(shè)備相結(jié)合是關(guān)鍵，這得以在原子尺度上工作，科學(xué)家和工程師能夠在設(shè)備的特定區(qū)域操縱單個(gè)原子，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電氣特性，提高功率半導(dǎo)體工作效率。

iDEAL公司成立于2016年，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)世界上最節(jié)能的功率半導(dǎo)體。據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，格拉納漢在半導(dǎo)體領(lǐng)域擁有數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)，2014年從德州儀器退休，此后兩年在美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所納米制造實(shí)驗(yàn)室證明了他對(duì)一種新型功率芯片的想法。

值得注意的是，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，業(yè)界一直在探索將碳化硅和氮化鎵等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用于高頻高壓中。例如氮化鎵材料耐熱性好，因具有高電子遷移率而成為高頻的“贏家”，可提高晶體管的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度，適用于高頻率、大功率電路中。再比如美國(guó)北卡羅來(lái)納州的半導(dǎo)體公司W(wǎng)olfspeed利用碳化硅材料生產(chǎn)晶圓和功率半導(dǎo)體，根據(jù)Wolfspeed的說(shuō)法，雖然碳化硅比硅貴，但它具有系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，利用碳化硅構(gòu)建的系統(tǒng)體積更小、重量更輕、效率更高，從而在工業(yè)、能源和汽車應(yīng)用中創(chuàng)造成本優(yōu)勢(shì)。

因此很多公司都在尋找硅的替代材料，并不像iDEAL那樣關(guān)注硅基功率器件。但格拉納漢認(rèn)為，硅的替代品成本可能要貴3-4倍，而如果采用人們熟悉并且容易獲得的硅材料，iDEAL可以提供更高效的芯片，其價(jià)格/性能指標(biāo)對(duì)于工作在850伏以下的器件來(lái)說(shuō)具有經(jīng)濟(jì)意義。

本文作者：張靜、李鈺全，來(lái)源：澎湃新聞，原文標(biāo)題：《美國(guó)硅基功率器件公司開(kāi)發(fā)新型高效功率芯片，減少能源損耗》

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