电力电子的效率，为什么不能更上一层？

       
电力电子的效率——任务完成了吗？
效率真正的含义是什么，为什么不能更上一层，精益求精？
1983 年 10 月，前所未有的风力发电机投入运转，世界上最大的风能转换器 Growian（德文缩写，意指大型风力发电厂）就此正式亮相。之后，这台 3MW 机器被认为是改变世界的里程碑。虽然这在当时是一种巧妙的设计，异步发电机产生的电力通过几个齿轮箱输送到电网，并从可变频率转为固定频率需要利用旋转机械的机械转换器。堆叠 5 个机械系统导致转换效率低于 80%，而损耗则超出 600kW。如今，生成、输送、储存和利用电能是工业化国家面临的一个主要挑战。虽然规模从瓦特到兆瓦不等，但是任务本身的性质不变。
功率面临的难题
节约1W 的能源似乎微不足道，然而设备中这个数字累加起来却是不容忽视的。手机就是这类应用的个中代表。手机使用 USB 端口在 5V 的电压下充电，输出功率是 2.5 W。在高压 MOSFET 时代之前，要完成这项任务需要一台变压器、一台整流器和一台线性稳压器，系统效率仅约为 50%. 如今，紧凑的开关式电源即可完成相同任务，且转换效率可高达 85%。仅在德国使用的手机数量就有大约 1 亿台，每天充电一小时，半导体提供的改进能够每年节约高达 146,000MWh 的电能。
低于 1kW 的任务
自 1982 年 Commodore C64 问世以来，如今欧洲几乎每个家庭都有个人电脑。但是直到 2004 年才开始实施 80Plus 计划，提倡使用效率至少为 80%的电源。虽然这些计算机大部分在 100W 级别的电源下运转，大功率显卡和其余附件会将功率消耗增加至 1000W。
相较于 C64 基于变压器和线性稳压器的电源，现代的开关式电源结构更为复杂，但是效率更高、重量更轻、体积更小，因此每瓦特输出功率消耗的资源更少。在德国，有 6600 万台私人电脑，功率半导体每年就能帮助节省 10,000,000MWh 的电能。如果平均效率从 80% 提高到 90%，这个数字还会翻上一倍
兆瓦处理面临的挑战
德国的“Energiewende”是一个能源项目，目的是到 2020 年消除对核能的需求，转而投向使用可再生能源的集中式发电厂。鉴于任何可再生能源都具有波动性，因此需要进行储能。生产时间和消耗时间之间的平衡将是实现所需可用性稳定供应的一个关键因素。方案所述的能量流动方式请参见图 1，详看之后不难发现，功率半导体面临的挑战现已显而易见：


图 1：结合可再生能源发电和电池储能的供电电网图示意图

来自太阳能电池阵 (1) 或风能转换器 的能源通过电力电子处理后能与电网兼容。相比 1983 年的 Growian，现在的风能转换器效率提高了 20%左右。一个普通的现代 2MW 风能发电厂每年全功率运行 1000 小时，由于电力电子取代机械转换器实现的效率提升，增加的能量采集可达到 400,000kWh。2013 年德国可再生能源产生的发电量约为 1350 亿 kWh。如果没有电力电子，损失电量将高达 270 亿 kWh。
采用高压直流电路 (HVDC)，使交流/直流和直流/交流转换进行输送是最高效的长距离能量输送 (3) 方式。电池储能 (4) 同样需要交流/直流转换，而能量回收是直流/交流转换的一种路径。甚至在到达终端客户之前，能源至少 5 次通过电力电子并被转换 7 次（包括电池的化学转换）。考虑到每个国家 95%的转换效率，30%的初始能量会丢失。可通过不同但是相互作用的层面改善电力电子转换系统的情况。


       
技术改进
在某种度上，可通过调整工艺流程或材料的细微变化改进现有技术。功率半导体开关 IGBT 就得益于薄晶圆技术，因为这种技术能够降低开关损耗。更改元胞设计但原材料保持不变可优化正向电压。提高结温而不影响使用寿命能实现更高的功率密度，同时减少每千瓦装机使用的材料。图 2 的图表总结了功率半导体技术最近和当前的发展情况。


图 2：功率半导体三十年的发展

技术变革
图 2 还暗示了一个事实，即从某个时刻开始，需要技术变革以克服现有技术的不足。对于功率半导体，碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 等宽带隙材料是进一步提高效率且极具竞争力的不二之选。这些新材料有两种利用方案。
首先，IGBT从双极晶体管转向基于场效应的器件克服了 PN 结的困境。并联的 IGBT 还会导致整个 PN 结内出现正向电压，从而限制了效率方面的效益。基于场效应的器件具有沟道电阻，并联的 n 个器件会以 n-1 的系数改善整体电阻。效率就变成集成多少设备的问题，这直接关联到花费的成本。
第二种方案是结合硅 IGBT 与碳化硅肖特基势垒二极管的混合器件，如图 3 所示。碳化硅二极管可提高 IGBT 开通速度，从而减少开通损耗；没有恢复电荷，二极管就不会存在恢复损耗。
系统开发
现在，电力电子使用最广泛的拓扑结构包括以 2 电平半桥为基本构件的三相逆变器。根据具体应用，拓扑结构的变化可能导致效率方面的效益。近年来，太阳能逆变器的设计已从 2电平过渡到 3电平。这种变化的驱动力是使用 650V 半导体取代 1200V 组件以实现效率提高。此外，从本质上降低开关损耗也有利于提高效率。
通过在最大化效率的同时最大限度减少材料用量，英飞凌成功地与诺丁汉大学合作，将新技术结合到不同的拓扑结构中。合作结果是采用碳化硅 JFET 构建了矩阵转换器。这个四象转换器在满载条件下效率高达 97%，在部分负荷条件下甚至更高。


图 3：内置效率，带 SiC-JFET 的 20kVA 转换器，尺寸：12.2cm x 6.2cm x 11.7cm，重 1.7kg

这就足够好了吗？
过去几十年来，现代能量转换效率得到大幅度提升。然而，日益增长的能源需求和可再生能源的发电与储存急需这个领域进行进一步改进。越来越多的电力在从发电到消耗的过程中需要通过半导体，因此高效半导体是节约能源的一个有效方法。一旦有了明确的目标，工程师就需要努力实现更高的效率。低于“1”是永远不够的。