【導(dǎo)讀】隨著向無碳社會(huì)的推進(jìn)以及能源的短缺,全球?qū)稍偕茉醇挠韬裢瑢?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)。
隨著向無碳社會(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?huì)認(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(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(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(zhǎng)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(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(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,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)性價(jià)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(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(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(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)的開關(guān)損耗。
該系列產(chǎn)品非常適用于諸如電動(dòng)汽車(xEV)中的車載充電器和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?通過采用羅姆專利技術(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。
* PrestoMOS?是ROHM Co., Ltd.的商標(biāo)或注冊(cè)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(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(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(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)異的工作特性優(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(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),通過控制柵極電壓來執(zhí)行ON/OFF開關(guān)動(dòng)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(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,但它們的開關(guān)控制較難,因此離不開高性能的柵極驅(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(zhǎng)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(dòng)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(huì)貢獻(xiàn)力量。
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