羅姆：先進(jìn)的半導(dǎo)體功率元器件和模擬IC助力工業(yè)用能源設(shè)備節(jié)能

隨著向無碳社會的推進(jìn)以及能源的短缺，全球?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8F%AF%E5%86%8D%E7%94%9F%E8%83%BD%E6%BA%90/">可再生能源寄予厚望，對不斷提高能源利用效率并改進(jìn)逆變器技術(shù)（節(jié)能的關(guān)鍵）提出了更高要求。而功率元器件和模擬IC在很大程度上決定了逆變器的節(jié)能性能和效率。通過在適合的應(yīng)用中使用功率元器件和模擬IC，可以進(jìn)一步提高逆變器的功率轉(zhuǎn)換效率，降低工業(yè)設(shè)備的功耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本文將為您介紹在新型逆變器中應(yīng)用日益廣泛的先進(jìn)功率元器件和模擬IC的特性及特點(diǎn)。

什么是具有節(jié)能效果的逆變器？

逆變器是用來將直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）并有效地提供所需電力的設(shè)備。使用效率高的逆變器，可以更大程度地提高設(shè)施和設(shè)備的性能并降低能耗。

提到逆變器，很多人通?？赡軙J(rèn)為它是在FA應(yīng)用中用來控制電機(jī)的技術(shù)，或者用來使電泵、風(fēng)門、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、空調(diào)等平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)。其實(shí)，有效地轉(zhuǎn)換電能也是逆變器的一個主要用途，是使工業(yè)設(shè)備更節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。特別是在追求無碳社會和碳中和的進(jìn)程中，太陽能發(fā)電設(shè)施中使用的光伏逆變器市場和充電樁市場不斷增長，從而對具有出色能量轉(zhuǎn)換效率的逆變器的需求也日益高漲。接下來將圍繞逆變器的功率轉(zhuǎn)換進(jìn)行具體說明。

逆變器及其相關(guān)的功率元器件解決方案在促進(jìn)包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的各種工業(yè)設(shè)施和設(shè)備的節(jié)能和效率提升方面發(fā)揮著核心作用。另外，逆變器的高效運(yùn)作高度依賴于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。通過使用先進(jìn)的半導(dǎo)體，可以使逆變器更高效、更穩(wěn)定地工作。此外，還可以延長設(shè)備的使用壽命，先進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)品能夠帶來諸多好處。

為什么必須要使逆變器更加節(jié)能？

逆變器本身已經(jīng)不是一項(xiàng)新技術(shù)，大家所用的設(shè)施和電氣設(shè)備中都有可能配有逆變器。然而，如今對使用中的設(shè)施和設(shè)備中的逆變器進(jìn)行改進(jìn)的需求越來越多。

其主要原因之一是制造現(xiàn)場的用電量增加。目前，很多生產(chǎn)設(shè)施的自動化和智能化程度都越來越高。盡管單臺設(shè)備都更加節(jié)能，但從設(shè)施整體看，用電量卻在增加，這種情況屢見不鮮。要想更大程度地發(fā)揮出設(shè)施的節(jié)能性能，逆變器也需要具備相應(yīng)的性能。

另一個主要原因是設(shè)備電壓提升以及對設(shè)備小型化、輕量化的要求提高。例如，在太陽能發(fā)電設(shè)施中，電壓越來越高，功率調(diào)節(jié)器卻越來越小、越來越輕，這就要求作為功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的逆變器能夠滿足這些需求。

功率元器件是提高逆變器節(jié)能效果的關(guān)鍵所在

使用逆變器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換時，大約有90%的功率損耗是由功率元器件造成的。因此，可以毫不夸張地說，功率元器件的性能決定了逆變器的性能。在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，以往主流的Si功率元器件正在被SiC功率元器件和GaN功率器件快速取代。在逆變器領(lǐng)域也呈現(xiàn)同樣的趨勢。

那么，應(yīng)該如何為逆變器選擇合適的功率元器件呢？事實(shí)上，并不是僅僅更換為新的SiC元器件或GaN器件即可解決問題。這是因?yàn)樵O(shè)施的規(guī)模和需求不同，相應(yīng)的解決方案也會不同。根據(jù)設(shè)施需求和用途選擇合適的功率元器件解決方案，就可以實(shí)現(xiàn)性價比更高和能量轉(zhuǎn)換效率更出色的逆變器，從而通過逆變器實(shí)現(xiàn)節(jié)能。例如，羅姆的功率元器件產(chǎn)品群具有以下特點(diǎn)：

解決不同課題和困擾的各種半導(dǎo)體產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢

理想的功率元器件解決方案會因逆變器的用途和需要解決的問題和困擾而有所不同。那么，具體而言，哪些需求更多呢？如果分得太細(xì)，涵蓋的范圍將非常廣，所以在這里僅介紹具有代表性的需求以及相應(yīng)的理想功率元器件解決方案。

1. 希望優(yōu)先提高轉(zhuǎn)換效率

當(dāng)希望優(yōu)先提高轉(zhuǎn)換效率、提高發(fā)電量時，建議采用和等SiC器件。SiC器件具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低和開關(guān)速度快的優(yōu)異特性，因此用SiC器件替代Si器件可以提升轉(zhuǎn)換效率，有助于提高發(fā)電量。

例如，當(dāng)要通過家用光伏逆變器提高平均照度下的發(fā)電量時，用SiC器件替代Si器件可將發(fā)電量提高3.4%左右，即1kW～2kW時的發(fā)電能力預(yù)計可改善約45W（全年210kWh）*。另外，對于支持高電壓和大電流的逆變器的需求也與日俱增。

*發(fā)電5kW時約為130W（全年570kWh）。

2. 希望既能提高轉(zhuǎn)換效率，又能降低成本

既希望提高轉(zhuǎn)換效率，又希望降低成本?？梢詽M足這樣的需求。Hybrid IGBT是在傳統(tǒng)IGBT的反饋單元（續(xù)流二極管）中使用了羅姆低損耗SiC SBD（肖特基勢壘二極管）的Hybrid型IGBT，與傳統(tǒng)的IGBT相比，可以大大降低導(dǎo)通時的開關(guān)損耗。 該系列產(chǎn)品非常適用于諸如電動汽車（xEV）中的車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC、太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的光伏逆變器等處理大功率的工業(yè)設(shè)備和汽車電子設(shè)備，具有功率損耗低于Si器件、成本效益優(yōu)于SiC器件的優(yōu)點(diǎn)。

另外，對于太陽能發(fā)電設(shè)施中使用的逆變電路、圖騰柱PFC電路和LLC電路，建議使用融入了Super Junction MOSFET技術(shù)的PrestoMOS?。PrestoMOS?通過采用羅姆專利技術(shù)，同時實(shí)現(xiàn)了業(yè)界超快反向恢復(fù)時間（trr）和原本難以同時實(shí)現(xiàn)的低導(dǎo)通電阻，與同等的普通產(chǎn)品相比，更有助于逆變器節(jié)能。

* PrestoMOS?是ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。

3. 希望有助于設(shè)備的小型化和輕量化

不僅要求設(shè)備的節(jié)能性能出色，還希望設(shè)備的體積更小。尤其是在太陽能發(fā)電設(shè)施中，分布式系統(tǒng)的普及要求減輕設(shè)備重量以降低安裝成本，因此相應(yīng)的產(chǎn)品呈現(xiàn)小型化趨勢。針對此類需求，建議采用GaN器件，這種器件在現(xiàn)有的集中式光伏逆變器中作為替代品已經(jīng)開始普及，是非常適用于微型逆變器的器件。

GaN器件具有出色的開關(guān)特性和高頻特性，因而在市場上的應(yīng)用日益廣泛。不僅如此，其導(dǎo)通電阻也低于Si器件，在助力眾多應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更低功耗和小型化方面被寄予厚望。

在太陽能發(fā)電設(shè)施所用的光伏逆變器中，在其MPPT（Maximum Power Point Tracking）和蓄電單元采用GaN器件，與采用SiC器件時相比，可以進(jìn)一步降低構(gòu)成電路的線圈部件的電感值（L），從而能夠減少繞線匝數(shù)、或使用尺寸更細(xì)的芯材，因此有助于大大縮小線圈的體積。另外，還可以減少電解電容器的數(shù)量，與Si器件（IGBT）相比，所需安裝面積更小。羅姆將有助于應(yīng)用產(chǎn)品的節(jié)能和小型化的GaN器件命名為“EcoGaN?系列”，并一直致力于進(jìn)一步提高器件的性能。

* EcoGaN?是ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。

另一種推薦方法是利用上述第1節(jié)中介紹的SiC MOSFET在高溫環(huán)境下優(yōu)異的工作特性優(yōu)勢。由于這種器件的容許損耗低，發(fā)熱量少，因此可通過與合適的外圍元器件相結(jié)合來減小散熱器件的數(shù)量和尺寸，從而減輕逆變器的重量。

模擬IC 與功率元器件一樣，電源IC和柵極驅(qū)動器IC等模擬IC對逆變器的性能影響也很大。電源IC可以控制設(shè)備運(yùn)行所需的電壓，是相當(dāng)于電氣設(shè)備心臟的重要器件，起到將電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓并穩(wěn)定供電的作用。柵極驅(qū)動器IC可以控制MOSFET和IGBT的驅(qū)動，通過控制柵極電壓來執(zhí)行ON/OFF開關(guān)動作。由于大部分功率損耗發(fā)生在開關(guān)過程中，因此柵極驅(qū)動器IC對于提高節(jié)能性能而言是非常重要的器件。柵極驅(qū)動器IC不僅適用于使用大電流的工業(yè)設(shè)備，還適用于要求高耐壓的應(yīng)用。

電源IC

對于逆變器用的電源IC，推薦采用內(nèi)置SiC MOSFET的電源IC。這種產(chǎn)品已經(jīng)將SiC MOSFET內(nèi)置于電源IC中，應(yīng)用產(chǎn)品無需進(jìn)行SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計，因此可以大大減少元器件數(shù)量，并且可以利用保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)安全的柵極驅(qū)動。

柵極驅(qū)動器IC

雖然SiC MOSFET和GaN器件的性能很高，但它們的開關(guān)控制較難，因此離不開高性能的柵極驅(qū)動器IC。羅姆擁有可以更好地驅(qū)動上述各種功率器件的豐富的柵極驅(qū)動器IC產(chǎn)品群。例如，羅姆開發(fā)的GaN用柵極驅(qū)動器IC，可以更大程度地激發(fā)出GaN的高速開關(guān)性能，助力應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能和小型化。

分流電阻器 在電流檢測用途中使用的分流電阻器也是有助于大功率應(yīng)用產(chǎn)品小型化的重要元件。隨著應(yīng)用產(chǎn)品的功率越來越高，對于能夠處理大功率且阻值低的分流電阻器的需求也不斷增長。

分流電阻器的亮點(diǎn)在于其優(yōu)異的散熱性能和出色的溫度特性。羅姆的產(chǎn)品陣容中包括支持高達(dá)3W～10W級額定功率的低阻值分流電阻器GMR系列，使用該系列產(chǎn)品，即使在大功率條件下工作也能實(shí)現(xiàn)高精度的電流檢測，有助于設(shè)備的安全運(yùn)行以及節(jié)能和小型化。

總結(jié)

為提高能源利用率，逆變器技術(shù)正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，并已成為包括工業(yè)應(yīng)用在內(nèi)的各種能源設(shè)備不可或缺的組成部分。利用這項(xiàng)技術(shù)，可以通過將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并根據(jù)需要優(yōu)化供電，來減少能源浪費(fèi)并延長設(shè)施和設(shè)備的使用壽命。另外，通過使用符合應(yīng)用需求和目的的理想半導(dǎo)體解決方案，可以進(jìn)一步提高逆變器的功率轉(zhuǎn)換效率。羅姆通過推動先進(jìn)功率元器件和模擬IC在逆變器中的應(yīng)用，來促進(jìn)各種設(shè)備的節(jié)能，從而為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會貢獻(xiàn)力量。