让手机充电5分钟，看视频4小时 光谷企业冲进第三代功率半导体新赛道

过去，手机充满电要几个小时。如今，已实现充电5分钟，看视频4小时。这背后起作用的，正是功率半导体。

电池，用于储存电能。而功率半导体，则是对电能进行转换和处理的“心脏”，在电力电子装置中起着举足轻重的作用。

目前，国外许多高性能宽禁带功率半导体器件，对中国实施出口限制，“我们要做出性能更好的功率半导体器件，实现国产替代。”8月16日，光谷未来城，武汉羿变电气有限公司副总经理刘新民说。

瞄准第三代功率半导体前沿赛道

“这是一个1200伏、300安的碳化硅半导体器件，电能的处理和控制，靠的就是这个。”在公司车间，刘新民拿起一个小器件介绍。

凡利用电能的装置，都会用到电能处理技术。比如使用手机时，需要先充电，再放电。“一充一放”过程中，涉及电压、频率和直流交流转换等。

目前，市面上的功率半导体多以硅（Si）基材料为主。随着技术发展，硅半导体已接近材料性能极限，无法满足越来越高的市场需求。

在这一背景下，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代功率半导体，即宽禁带功率半导体“横空出世”。

手机能够实现快充，是由于氮化镓材料具备高效率、高频率、高导热等特性。其做成充电芯片后，能量损耗小，所需散热部件也小，在输出大功率的同时保持充电器体积可控。

“宽禁带功率半导体器件在新能源汽车、船舶、航空等领域应用前景很广，我们8年前就着手布局这个新赛道。”刘新民说。

从实验室走向市场

2014年，华中科技大学电气与电子工程学院，成立了先进半导体与封装集成实验室，这是国内高校中第一家该类型实验室，重点研究宽禁带功率半导体封装技术。

宽禁带半导体材料有很大优势，但是必须封装之后才能使用。传统封装技术是为硅基功率器件设计的，若将其用于宽禁带功率半导体上，会出现不易散热、稳定性差、寿命短等问题。封装技术的好坏，直接影响功率半导体性能的发挥。

“想要打破国外高端宽禁带半导体器件的垄断，就一定要突破封装技术。”刘新民说。

为此，当时还在华科做科研的刘新民，在实验室团队负责人康勇教授的带领下，一起潜心攻关。经过几年努力，采用全自主研发封装技术的功率半导体器件得以面世。

“2018年，有些企业带着项目找过来，想利用宽禁带半导体器件提高性能，当时便把科研样品给了他们。”刘新民说，也想看看其在现实场景的应用效果如何。

“性能很好，相比原来的硅基半导体，损耗可以减少一半。”

实验室能做出样品，却无法长期提供批量产品。想让成果走向市场，就必须跳出“母体”。

2020年10月，依托学校科技成果，武汉羿变电气在光谷成立。

部分性能达到全球顶尖水平

“鉴于前期扎实的科研基础，公司一成立就开始成果产品化。”刘新民说。

2021年初，某船舶设备公司提出需求，想要多款覆盖650V、1200V、1700V电压等级的碳化硅功率模块。

原来，该公司之前使用的是国外通用型碳化硅功率模块，不能与设备精准匹配，无法把能耗降到最低。对于大型船舶设备来说，燃油、电等能源消耗多，对能量转换效率要求更高。

“我们从应用角度出发，为对方定制了一批功率模块。相比国外产品，可‘物尽其用’，把系统效率提到最高，且体积更小、更轻，便于船舶水上移动。”刘新民说。

今年初，某无人机公司想定制一批20千瓦的电机驱动器，即集成式功率半导体器件，其性能更高、功能更多。

“20千瓦的驱动器，国外做的有5公斤重。而我们做的，只有3.5公斤。”刘新民说，公司产品的部分性能，可以与全球顶尖水平比肩。“未来会铆足劲，在宽禁带功率半导体赛道上持续冲刺。”

来源：湖北日报

         湖北日报全媒记者 刘洁 通讯员 汪慧

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