【導(dǎo)讀】80年代的3MW的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器被視為改變世界的里程碑。但是這種機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率卻低于80%，損耗超出600KW。電力電子效率非常低，那么如何才能讓電力電子的效率更上一層樓呢？
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(fēng)力發(fā)電機(jī)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，世界上最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器 Growian（德文縮寫(xiě)，意指大型風(fēng)力發(fā)電廠）就此正式亮相。之后，這臺(tái) 3MW 機(jī)器被認(rèn)為是改變世界的里程碑。雖然這在當(dāng)時(shí)是一種巧妙的設(shè)計(jì)，異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力通過(guò)幾個(gè)齒輪箱輸送到電網(wǎng)，并從可變頻率轉(zhuǎn)為固定頻率需要利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械轉(zhuǎn)換器。堆疊 5 個(gè)機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低于 80%，而損耗則超出 600kW。如今，生成、輸送、儲(chǔ)存和利用電能是工業(yè)化國(guó)家面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。雖然規(guī)模從瓦特到兆瓦不等，但是任務(wù)本身的性質(zhì)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(shè)備中這個(gè)數(shù)字累加起來(lái)卻是不容忽視的。手機(jī)就是這類應(yīng)用的個(gè)中代表。手機(jī)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(shí)代之前，要完成這項(xiàng)任務(wù)需要一臺(tái)變壓器、一臺(tái)整流器和一臺(tái)線性穩(wěn)壓器，系統(tǒng)效率僅約為 50%. 如今，緊湊的開(kāi)關(guān)式電源即可完成相同任務(wù)，且轉(zhuǎn)換效率可高達(dá) 85%。僅在德國(guó)使用的手機(jī)數(shù)量就有大約 1 億臺(tái)，每天充電一小時(shí)，半導(dǎo)體提供的改進(jìn)能夠每年節(jié)約高達(dá) 146,000MWh 的電能。
低于 1kW 的任務(wù)
自 1982 年 Commodore C64 問(wèn)世以來(lái)，如今歐洲幾乎每個(gè)家庭都有個(gè)人電腦。但是直到 2004 年才開(kāi)始實(shí)施 80Plus 計(jì)劃，提倡使用效率至少為 80%的電源。雖然這些計(jì)算機(jī)大部分在 100W 級(jí)別的電源下運(yùn)轉(zhuǎn)，大功率顯卡和其余附件會(huì)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(xiàn)代的開(kāi)關(guān)式電源結(jié)構(gòu)更為復(fù)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(guó)，有 6600 萬(wàn)臺(tái)私人電腦，功率半導(dǎo)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(gè)數(shù)字還會(huì)翻上一倍
兆瓦處理面臨的挑戰(zhàn)
德國(guó)的“Energiewende”是一個(gè)能源項(xiàng)目，目的是到 2020 年消除對(duì)核能的需求，轉(zhuǎn)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(dòng)性，因此需要進(jìn)行儲(chǔ)能。生產(chǎn)時(shí)間和消耗時(shí)間之間的平衡將是實(shí)現(xiàn)所需可用性穩(wěn)定供應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。方案所述的能量流動(dòng)方式請(qǐng)參見(jiàn)圖 1，詳看之后不難發(fā)現(xiàn)，功率半導(dǎo)體面臨的挑戰(zhàn)現(xiàn)已顯而易見(jiàn)：
圖1：結(jié)合可再生能源發(fā)電和電池儲(chǔ)能的供電電網(wǎng)圖示意圖
來(lái)自太陽(yáng)能電池陣 (1) 或風(fēng)能轉(zhuǎn)換器 的能源通過(guò)電力電子處理后能與電網(wǎng)兼容。相比 1983 年的 Growian，現(xiàn)在的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器效率提高了 20%左右。一個(gè)普通的現(xiàn)代 2MW 風(fēng)能發(fā)電廠每年全功率運(yùn)行 1000 小時(shí)，由于電力電子取代機(jī)械轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的效率提升，增加的能量采集可達(dá)到 400,000kWh。2013 年德國(guó)可再生能源產(chǎn)生的發(fā)電量約為 1350 億 kWh。如果沒(méi)有電力電子，損失電量將高達(dá) 270 億 kWh。
采用高壓直流電路 (HVDC)，使交流/直流和直流/交流轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸送是最高效的長(zhǎng)距離能量輸送 (3) 方式。電池儲(chǔ)能 (4) 同樣需要交流/直流轉(zhuǎn)換，而能量回收是直流/交流轉(zhuǎn)換的一種路徑。甚至在到達(dá)終端客戶之前，能源至少 5 次通過(guò)電力電子并被轉(zhuǎn)換 7 次（包括電池的化學(xué)轉(zhuǎn)換）。考慮到每個(gè)國(guó)家 95%的轉(zhuǎn)換效率，30%的初始能量會(huì)丟失。可通過(guò)不同但是相互作用的層面改善電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的情況。
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技術(shù)改進(jìn)
在某種度上，可通過(guò)調(diào)整工藝流程或材料的細(xì)微變化改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān) IGBT 就得益于薄晶圓技術(shù)，因?yàn)檫@種技術(shù)能夠降低開(kāi)關(guān)損耗。更改元胞設(shè)計(jì)但原材料保持不變可優(yōu)化正向電壓。提高結(jié)溫而不影響使用壽命能實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，同時(shí)減少每千瓦裝機(jī)使用的材料。圖 2 的圖表總結(jié)了功率半導(dǎo)體技術(shù)最近和當(dāng)前的發(fā)展情況。
圖2：功率半導(dǎo)體三十年的發(fā)展
技術(shù)變革
圖 2 還暗示了一個(gè)事實(shí)，即從某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，需要技術(shù)變革以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。對(duì)于功率半導(dǎo)體，碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙材料是進(jìn)一步提高效率且極具競(jìng)爭(zhēng)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(zhuǎn)向基于場(chǎng)效應(yīng)的器件克服了 PN 結(jié)的困境。并聯(lián)的 IGBT 還會(huì)導(dǎo)致整個(gè) PN 結(jié)內(nèi)出現(xiàn)正向電壓，從而限制了效率方面的效益。基于場(chǎng)效應(yīng)的器件具有溝道電阻，并聯(lián)的 n 個(gè)器件會(huì)以 n-1 的系數(shù)改善整體電阻。效率就變成集成多少設(shè)備的問(wèn)題，這直接關(guān)聯(lián)到花費(fèi)的成本。
第二種方案是結(jié)合硅 IGBT 與碳化硅肖特基勢(shì)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(kāi)通速度，從而減少開(kāi)通損耗；沒(méi)有恢復(fù)電荷，二極管就不會(huì)存在恢復(fù)損耗。
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
現(xiàn)在，電力電子使用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括以 2 電平半橋?yàn)榛緲?gòu)件的三相逆變器。根據(jù)具體應(yīng)用，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化可能導(dǎo)致效率方面的效益。近年來(lái)，太陽(yáng)能逆變器的設(shè)計(jì)已從 2電平過(guò)渡到 3電平。這種變化的驅(qū)動(dòng)力是使用 650V 半導(dǎo)體取代 1200V 組件以實(shí)現(xiàn)效率提高。此外，從本質(zhì)上降低開(kāi)關(guān)損耗也有利于提高效率。
通過(guò)在最大化效率的同時(shí)最大限度減少材料用量，英飛凌成功地與諾丁漢大學(xué)合作，將新技術(shù)結(jié)合到不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。合作結(jié)果是采用碳化硅 JFET 構(gòu)建了矩陣轉(zhuǎn)換器。這個(gè)四象轉(zhuǎn)換器在滿載條件下效率高達(dá) 97%，在部分負(fù)荷條件下甚至更高。
圖 3：內(nèi)置效率，帶 SiC-JFET 的 20kVA 轉(zhuǎn)換器，尺寸：12.2cm x 6.2cm x 11.7cm，重 1.7kg
這就足夠了嗎？
過(guò)去幾十年來(lái)，現(xiàn)代能量轉(zhuǎn)換效率得到大幅度提升。然而，日益增長(zhǎng)的能源需求和可再生能源的發(fā)電與儲(chǔ)存急需這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。越來(lái)越多的電力在從發(fā)電到消耗的過(guò)程中需要通過(guò)半導(dǎo)體，因此高效半導(dǎo)體是節(jié)約能源的一個(gè)有效方法。一旦有了明確的目標(biāo)，工程師就需要努力實(shí)現(xiàn)更高的效率。低于“1”是永遠(yuǎn)不夠的。
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