電力電子的效率--任務完成了嗎？

效率真正的含義是什么，為什么不能更上一層，精益求精？

1983年10月，前所未有的風力發(fā)電機投入運轉，世界上最大的風能轉換器Growian（德文縮寫，意指大型風力發(fā)電廠）就此正式亮相。之后，這臺3MW機器被認為是改變世界的里程碑。雖然這在當時是一種巧妙的設計，異步發(fā)電機產生的電力通過幾個齒輪箱輸送到電網，并從可變頻率轉為固定頻率需要利用旋轉機械的機械轉換器。堆疊5 個機械系統(tǒng)導致轉換效率低于80%，而損耗則超出600kW。如今，生成、輸送、儲存和利用電能是工業(yè)化國家面臨的一個主要挑戰(zhàn)。雖然規(guī)模從瓦特到兆瓦不等，但是任務本身的性質不變。

功率面臨的難題

節(jié)約1W 的能源似乎微不足道，然而設備中這個數字累加起來卻是不容忽視的。手機就是這類應用的個中代表。手機使用USB端口在5V的電壓下充電，輸出功率是2.5 W。在高壓 MOSFET 時代之前，要完成這項任務需要一臺變壓器、一臺整流器和一臺線性穩(wěn)壓器，系統(tǒng)效率僅約為50%。如今，緊湊的開關式電源即可完成相同任務，且轉換效率可高達85%。僅在德國使用的手機數量就有大約1億臺，每天充電一小時，半導體提供的改進能夠每年節(jié)約高達146,000MWh 的電能。

低于1kW 的任務

自1982 年Commodore C64 問世以來，如今歐洲幾乎每個家庭都有個人電腦。但是直到 2004 年才開始實施 80Plus 計劃，提倡使用效率至少為80%的電源。雖然這些計算機大部分在100W級別的電源下運轉，大功率顯卡和其余附件會將功率消耗增加至1000W。

相較于C64基于變壓器和線性穩(wěn)壓器的電源，現代的開關式電源結構更為復雜，但是效率更高、重量更輕、體積更小，因此每瓦特輸出功率消耗的資源更少。在德國，有6600萬臺私人電腦，功率半導體每年就能幫助節(jié)省10,000,000MWh 的電能。如果平均效率從80%提高到90%，這個數字還會翻上一倍。

兆瓦處理面臨的挑戰(zhàn)

德國的“Energiewende”是一個能源項目，目的是到 2020 年消除對核能的需求，轉而投向使用可再生能源的集中式發(fā)電廠。鑒于任何可再生能源都具有波動性，因此需要進行儲能。生產時間和消耗時間之間的平衡將是實現所需可用性穩(wěn)定供應的一個關鍵因素。方案所述的能量流動方式請參見圖1，詳看之后不難發(fā)現，功率半導體面臨的挑戰(zhàn)現已顯而易見：

圖 1:結合可再生能源發(fā)電和電池儲能的供電電網圖示意圖

來自太陽能電池陣（1）或風能轉換器 的能源通過電力電子處理后能與電網兼容。相比1983 年的Growian，現在的風能轉換器效率提高了20%左右。一個普通的現代2MW 風能發(fā)電廠每年全功率運行1000小時，由于電力電子取代機械轉換器實現的效率提升，增加的能量采集可達到 400,000kWh。2013 年德國可再生能源產生的發(fā)電量約為1350 億kWh。如果沒有電力電子，損失電量將高達270億 kWh。

采用高壓直流電路（HVDC），使交流/直流和直流/交流轉換進行輸送是最高效的長距離能量輸送（3）方式。電池儲能（4）同樣需要交流/直流轉換，而能量回收是直流/交流轉換的一種路徑。甚至在到達終端客戶之前，能源至少5次通過電力電子并被轉換7次（包括電池的化學轉換）?？紤]到每個國家95%的轉換效率，30%的初始能量會丟失?？赏ㄟ^不同但是相互作用的層面改善電力電子轉換系統(tǒng)的情況。

技術改進

在某種度上，可通過調整工藝流程或材料的細微變化改進現有技術。功率半導體開關 IGBT 就得益于薄晶圓技術，因為這種技術能夠降低開關損耗。更改元胞設計但原材料保持不變可優(yōu)化正向電壓。提高結溫而不影響使用壽命能實現更高的功率密度，同時減少每千瓦裝機使用的材料。圖 2 的圖表總結了功率半導體技術最近和當前的發(fā)展情況。

圖 2:功率半導體三十年的發(fā)展

技術變革

圖2還暗示了一個事實，即從某個時刻開始，需要技術變革以克服現有技術的不足。對于功率半導體，碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料是進一步提高效率且極具競爭力的不二之選。這些新材料有兩種利用方案。

首先，IGBT從雙極晶體管轉向基于場效應的器件克服了PN結的困境。并聯的IGBT 還會導致整個PN 結內出現正向電壓，從而限制了效率方面的效益。基于場效應的器件具有溝道電阻，并聯的n個器件會以n-1 的系數改善整體電阻。效率就變成集成多少設備的問題，這直接關聯到花費的成本。

第二種方案是結合硅IGBT與碳化硅肖特基勢壘二極管的混合器件，如圖3所示。碳化硅二極管可提高IGBT開通速度，從而減少開通損耗；沒有恢復電荷，二極管就不會存在恢復損耗。

系統(tǒng)開發(fā)

現在，電力電子使用最廣泛的拓撲結構包括以2電平半橋為基本構件的三相逆變器。根據具體應用，拓撲結構的變化可能導致效率方面的效益。近年來，太陽能逆變器的設計已從 2電平過渡到3電平。這種變化的驅動力是使用650V半導體取代1200V組件以實現效率提高。此外，從本質上降低開關損耗也有利于提高效率。

通過在最大化效率的同時最大限度減少材料用量，英飛凌成功地與諾丁漢大學合作，將新技術結合到不同的拓撲結構中。合作結果是采用碳化硅 JFET 構建了矩陣轉換器。這個四象轉換器在滿載條件下效率高達97%，在部分負荷條件下甚至更高。

圖 3:內置效率，帶 SiC-JFET 的 20kVA 轉換器，尺寸：12.2cm x 6.2cm x 11.7cm,重 1.7kg

這就足夠好了嗎？

過去幾十年來，現代能量轉換效率得到大幅度提升。然而，日益增長的能源需求和可再生能源的發(fā)電與儲存急需這個領域進行進一步改進。越來越多的電力在從發(fā)電到消耗的過程中需要通過半導體，因此高效半導體是節(jié)約能源的一個有效方法。一旦有了明確的目標，工程師就需要努力實現更高的效率。低于“1”是永遠不夠的。