電力電子的效率，為什么不能更上一層？

電力電子的效率--任務(wù)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(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，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 問世以來，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，有6600萬臺(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)方式請參見圖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：

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

來自太陽能電池陣（1）或風(fēng)能轉(zhuǎn)換器 的能源通過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 年德國可再生能源產(chǎn)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(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)國家95%的轉(zhuǎn)換效率，30%的初始能量會(huì)丟失?？赏ㄟ^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。

技術(shù)改進(jìn)

在某種度上，可通過調(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(zhuǎn)向基于場效應(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?；趫鲂?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(fù)電荷，二極管就不會(huì)存在恢復(fù)損耗。

系統(tǒng)開發(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，太陽能逆變器的設(shè)計(jì)已從 2電平過渡到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)上降低開關(guān)損耗也有利于提高效率。

通過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

這就足夠好了嗎？

過去幾十年來，現(xiàn)代能量轉(zhuǎn)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(chǔ)存急需這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。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(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。