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照明：“新民生”和第三代半导体( 六 )


从2004年科技部和中科院指导下成立国家级联盟（国家半导体照明工程研发及产业联盟）和平台（中国科学院半导体照明研发中心）开始 ， 我国半导体照明科研和产业在近20年时间里得到了快速发展 。据《第三代半导体产业发展报告(2019)》 ， 2019年半导体照明产业产值已到约7500亿（包括库存和上下游重叠产值） 。科研方面 ， 相关团队获得多项国家级的科技奖项 ， 包括中国科学院半导体研究所李晋闽研究员团队的“低热阻高光效蓝宝石基GaN LED材料外延及芯片技术”项目获国家科学技术发明二等奖 ， “高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化”项目获2019国家科技进步奖一等奖 ， 南昌大学江风益院士团队的硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”项目获2015年国家技术发明一等奖 。奖项包括科研和产业 ， 涵盖半导体照明的材料生长、芯片制造和封装各个环节 。
图1-2004年国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）成立
半导体照明科研和产业的发展 ， 极大的促进了GaN相关材料、芯片和设备的技术发展和成熟 ， 从而一方面孵化催发了基于LED的其他“超越照明”应用 ， 如植物垂直农场、新型显示和可见光通信等 ， 另一方面也促进了基于GaN材料的其它器件 ， 如射频器件、功率器件等的发展 。
半导体照明看起来已经发展臻于完善了 ， 还有必要继续研发么？我想答案是肯定的 。首先 ， 现在的半导体照明技术并不完善 。上述的半导体照明路线得到的照明用白光 ， 其实只是包含了蓝光和较宽光谱的黄光 ， 缺少长波段红光等光谱区域 。光谱缺失会影响灯具本身的显色指数和色温等参数 ， 关于蓝光危害和富蓝化的研究引发了广泛讨论 。半导体照明 ， 不仅仅需要“照得更亮” ， 也还需要“照得更好”！此外 ， 现有的半导体照明产品要同时用于可见光通信的话 ， 还存在光源调制带宽的限制 ， 因为荧光粉本身发光和蓝光到黄光的斯托克斯转换都是比较慢的过程 。
如何解决开关频率过高所产生的EMI问题一直是包括GaN HEMT和SiC MOSFET功率产品的一个关键 。特别对于消费电子产品 ， 对器件硬开关的考验更为强烈 （消费者不会考虑软开关 ， 消费电子需要随时开关机和充电） ， 这也对EMI和损耗控制提出更高的要求 。充电过程中的发热是损耗的直接体现 ， 这是消费者能直接感受体会到的 。电子发烧友发现GaN快充全程充电温度基本保持在38度以下 ， 在功率提升、体积大幅缩小的情况下综合平衡功率密度、体积和损耗做到这点确实殊为难得 。
GaN 快充对于朝九晚五时间充裕的“坐班族”暂时可能体会有限 ， 但是将缓解 “出差族”、“游戏族”和“低头族”等的电量频频告急的窘迫和焦虑 ， 也对储电宝、电霸等产业造成冲击 。随着5G大容量数据游戏、通信等对电子产品电量的升级消耗 ， GaN 快充将成为消费电子的更加紧密“护航使者” 。
智能家居照明
新冠疫情将使包括企业向智慧化工业4.0变革转变或提升 ， 也同时催动家居生活向包括绿色健康化、远程可视化、感知控制化和智慧人性化发展 。集成5G微基站、充电桩、视频监控、环保监测、屏幕显示多种模块的“智慧灯杆”最近在浙江舟山首次亮相 。
图2-多功能“智慧灯杆”在浙江舟山亮相
老瓶装新酒 ， 传统路灯的max升级 ， 具有较大的经济和社会效益 。其实“智慧灯杆”也完全可以迁移到家居 ， 利用有线电力线载波通信技术（PLC）结合无线半导体照明可见光通信（VLC） ， 实现家电设备的远程控制 ， 互连互通及自主学习 ， 并通过收集、 分析用户行为数据为用户提供个性化生活服务 ， 使家居生活安全、舒适、节能、高效、便捷 。基于PLC的VLC的一大缺点是低压配电网拓扑结构复杂 ， 接入负载类型多样 ， 造成VLC信号衰减和背景噪音大 。对于局域范围的家居 ， 信号衰减和背景噪音可以最大程度降低 。但系统还需进一步完善 ， 才能在与Zigbee、Wifi和Bluetooth等其他无线物联技术的竞争中占有一席之地 。


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