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(wú)碳社會(huì)的推進(jìn)以及能源的短缺，全球?qū)稍偕茉醇挠韬裢?，?duì)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(guò)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(lái)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?huì)認(rèn)為它是在FA應(yīng)用中用來(lái)控制電機(jī)的技術(shù)，或者用來(lái)使電泵、風(fēng)門(mén)、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(gè)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(wú)碳社會(huì)和碳中和的進(jìn)程中，太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施中使用的光伏逆變器市場(chǎng)和充電樁市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，從而對(duì)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(lái)將圍繞逆變器的功率轉(zhuǎn)換進(jìn)行具體說(shuō)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(yáng)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(lài)于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。通過(guò)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(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，先進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)品能夠帶來(lái)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(duì)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(lái)越多。

其主要原因之一是制造現(xiàn)場(chǎng)的用電量增加。目前，很多生產(chǎn)設(shè)施的自動(dòng)化和智能化程度都越來(lái)越高。盡管單臺(tái)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(jiàn)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(gè)主要原因是設(shè)備電壓提升以及對(duì)設(shè)備小型化、輕量化的要求提高。例如，在太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施中，電壓越來(lái)越高，功率調(diào)節(jié)器卻越來(lái)越小、越來(lái)越輕，這就要求作為功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的逆變器能夠滿(mǎn)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(shí)，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(shuō)，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(shì)。

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(wèn)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(huì)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?xún)r(jià)比更高和能量轉(zhuǎn)換效率更出色的逆變器，從而通過(guò)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(shì)

理想的功率元器件解決方案會(huì)因逆變器的用途和需要解決的問(wèn)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(shí)，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(kāi)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(guò)家用光伏逆變器提高平均照度下的發(fā)電量時(shí)，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(shí)的發(fā)電能力預(yù)計(jì)可改善約45W（全年210kWh）*。另外，對(duì)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(shí)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(mǎn)足這樣的需求。HybridIGBT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(shì)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(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。

該系列產(chǎn)品非常適用于諸如電動(dòng)汽車(chē)（xEV）中的車(chē)載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC、太陽(yáng)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(chē)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(duì)于太陽(yáng)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(guò)采用羅姆專(zhuān)利技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界超快反向恢復(fù)時(shí)間（trr）和原本難以同時(shí)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。

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(yáng)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(shì)。針對(duì)此類(lèi)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(kāi)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(kāi)關(guān)特性和高頻特性，因而在市場(chǎng)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(yáng)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(shí)相比，可以進(jìn)一步降低構(gòu)成電路的線(xiàn)圈部件的電感值（L），從而能夠減少繞線(xiàn)匝數(shù)、或使用尺寸更細(xì)的芯材，因此有助于大大縮小線(xiàn)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(cè)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?xún)?yōu)勢(shì)。由于這種器件的容許損耗低，發(fā)熱量少，因此可通過(guò)與合適的外圍元器件相結(jié)合來(lái)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(dòng)器IC等模擬IC對(duì)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(dòng)器IC可以控制MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制柵極電壓來(lái)執(zhí)行ON/OFF開(kāi)關(guān)動(dòng)作。由于大部分功率損耗發(fā)生在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，因此柵極驅(qū)動(dòng)器IC對(duì)于提高節(jié)能性能而言是非常重要的器件。柵極驅(qū)動(dòng)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(duì)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(wú)需進(jìn)行SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，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(dòng)。

柵極驅(qū)動(dòng)器IC

雖然SiC MOSFET和GaN器件的性能很高，但它們的開(kāi)關(guān)控制較難，因此離不開(kāi)高性能的柵極驅(qū)動(dòng)器IC。羅姆擁有可以更好地驅(qū)動(dòng)上述各種功率器件的豐富的柵極驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)品群。例如，羅姆開(kāi)發(fā)的GaN用柵極驅(qū)動(dòng)器IC，可以更大程度地激發(fā)出GaN的高速開(kāi)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(cè)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(lái)越高，對(duì)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(zhǎng)。

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(jí)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(cè)，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(guò)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并根據(jù)需要優(yōu)化供電，來(lái)減少能源浪費(fèi)并延長(zhǎng)設(shè)施和設(shè)備的使用壽命。另外，通過(guò)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(guò)推動(dòng)先進(jìn)功率元器件和模擬IC在逆變器中的應(yīng)用，來(lái)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(huì)貢獻(xiàn)力量。