创新为要，探寻电源技术的绿色机会

随着全球提高能效、节能减排的意识不断高涨，改善电源转换效率、优化低功耗技术成为业界关注焦点。提高能效和利用可再生能源已成为众多国家的重点战略和政策导向。目前，许多国家都建立了相关的能效标准。诸如比较性能源标签计划和最低能源性能标准(MEPS)，以及能源之星标准。

在技术层面，提高能效和利用可再生能源也成为电源产业最突出的发展趋势，传统的解决方案向更高效的“绿色电源解决方案”的演进过程不断加速，这也给半导体行业创造了巨大的发展机会。

从传统应用到新兴市场，绿色诉求无处不在

在家电、便携式设备、数据中心等相对传统的应用领域，降低能耗已成为重要课题，为此，半导体厂商不断开发出具有针对性的解决方案。例如，国际整流器(IR)公司的iMOTION平台就是针对家电中的无传感器电机控制，集成了IR专有的高电压IC与数字、模拟和功率构建模块，以及数字控制算法。据IR公司亚太区销售副总裁潘大伟介绍，该平台使家电制造商采用永磁变速电机驱动，从而比其他电机解决方案减少多达60%的能源浪费。

图1：国际整流器公司亚太区 销售副总裁潘大伟

对于使用可充电电池的便携式产品，如何延长电池续航能力、减少充电次数成为关键需求。半导体厂商开发出新型器件应对此类需求。例如，飞兆半导体最新推出FAN4603是一款低压降稳压器(LDO)，内嵌6MHz开关频率步降转换器、电感和滤波电容。据悉，FAN4603在待机模式下消耗的功率极低，运行效率高达91%。

此外，降低数据中心的能耗也备受关注，“在这方面，我们的Power Stage和DualCool系列可为计算系统提供最佳功率密度。”

图2：飞兆半导体高级 副总裁金台勋博士

飞兆半导体高级副总裁金台勋介绍，Power Stage是采用单一微型PQFN56和PQFN33封装的不对称双MOSFET，不仅能够提供高的功率密度设计，还可大幅减小外围电路的寄生参数，从而提升效率和可靠性。DualCool系列产品带有顶部冷却垫，具有最低的传导阻抗，即便在空间受限的情况下，电源管理设计人员也能够轻松实现先进计算系统所需的最大功率。

除了传统应用领域，光伏/风电、固态照明、混合动力/电动汽车等新兴市场的崛起，更为绿色电源技术带来巨大的发展空间。目前全球风力和太阳能发电市场发展迅速，“对于此类应用，产品设计寿命需要达到20年以上，因此控制器、变流器的寿命，以及平均无故障时间(MTTF)等指标很重要。”英飞凌科技(中国)公司家电及工业功率器件市场经理陈子颖指出。

图3：英飞凌科技(中国)公司 家电及工业功率器件 市场经理陈子颖

“针对太阳能市场，我们的SolarMagic电源优化技术设计可使太阳能电池板的能量输出最大化，使得实际工程中常见的失配引起的损耗降到最小。”美国国家半导体(NS)关键市场及业务发展部高级副总裁Michael Polacek介绍，新型SolarMagic芯片组被直接集成进电池板的接线盒中，最多可以弥补高达75%的功率损失，从而为用户提供更可靠的电源输出和更好的投资回报。目前，SolarMagic芯片组已被Suntech和GESOLAR等公司用于开发“智能电池板”产品。

图4：美国国家半导体 关键市场及业务发展部 高级副总裁 Michael Polacek

照明是最大的能源消费对象之一。在照明方面，基于LED的光源带来的好处显而易见。“LED在建筑和室外照明方面也很有前途。”Polacek介绍。例如，横跨哈尔滨松花江的松花江大桥上的照明灯可以照射1.5km远的地方。桥上采用的是NS的集成驱动电路，这些电路通过恒流方式驱动12,000颗LUXEON Rebel大功率LED。在这个项目中使用LED照明节省的能耗高达80%。而且这些LED具有5万小时的寿命，从而缩短了因灯泡烧坏导致的检修时间，降低了更换成本。

另一个值得关注的趋势是，可再生能源在汽车领域的应用也在不断扩大，而功率半导体也正是实现这类应用的关键技术。考虑到典型汽车应用的能量需求及尺寸和重量限制，可再生能源在汽车市场的应用不太容易。不过，“通过提高能量存储和转换效率及功率半导体技术部分的创新，可再生能源在汽车领域的长期使用前景被看好。”金台勋表示。

图5：凌力尔特公司 电源产品产品市场 总监Tony Armstrong

此外，面向能量采集的产品也将有增长机会，而且不会受目前市场状况的影响。实现能量采集系统的现有方案通常由低性能分立式系统组成，常常包括30个或更多组件，“这样的设计转换效率低、静态电流高，这两种缺点最终导致系统性能受损。”凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong指出，业界需要既能从环境能源收集能量，又能管理这种能量的高集成度、高效率的DC/DC转换器解决方案。“凌力尔特最近推出了LTC3109和LTC3588-1，这两款器件使可再生能源或能量采集应用的性能和简单性达到了一个新水平。” Armstrong介绍，“LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 转换器和电源管理器。它能从热电发生器 (TEG)、热电堆甚至小型太阳能电池等极低的输入电压源收集和管理多余的能量。其独特的专有自动极性拓扑允许该器件用低至 30mV 的输入电源工作，而不管电源的极性如何。LTC3588-1 则是一个为能量较低的能源而优化的完整能量采集解决方案，含有压电换能器。压电元件通过元件的挤压或挠曲产生能量，视大小和结构而定，这类压电元件可以产生几百μW/cm2 的功率。输出稳定 (无负载) 时，静态电流仅为 950nA，从而最大限度地提高了总体效率。”

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随着全球能源危机和环保意识不断增强，智能电网的市场需求大幅增加，智能电网技术不但为节能和更有效地利用可再生能源提供了机会，而且也为通过能量采集设备给智能电表和智能气体流量计供电提供了机会，这也为半导体供应商创造了前所未有的机会。

智能电网是个很广的概念，但提高输配电效率，提高电源质量是个永恒的主题。“在输配电技术方面，如直流输电HVDC，由于直流电缆线路没有容性电流，没有磁感应损耗和介质损耗，效率高，因此其实现需采用高压大电流的晶闸管。目前英飞凌已推出光控晶闸管产品。”陈子颖介绍道，“此外，还有用于改善电源质量的各种技术，例如采用晶闸管实现的静态无功补偿ＳＶＣ和采用ＩＧＢＴ模块实现的静止式无功发生器ＳＶＧ，Ｓｔａｔｏｍ，有源电力滤波器ＡＰＦ等等。”看好智能电网的发展前景，飞兆半导体也不断推出采用新技术的器件，例如超级结 MOSFET和场截止IGBT、电荷平衡中压MOSFET和SPM器件等关键产品。

创新技术应对绿色电源设计挑战

在节能环保诉求下，应用系统的绿色变革需求为电源技术创新带来机会，同时，设计人员也面临更严峻的挑战。开发“绿色电源解决方案”的关键在于提升电源转换效率，有效降低功耗。一方面通过电源管理创新带来节能效果，开发更有效率的功率半导体技术和能够尽量减少损耗的新封装解决方案。另一方面，开发具成本效益的新型集成电路，将不同的电源管理和控制功能集成到一起，使应用系统设计人员可以在不增加成本的情况下改善其应用的效率。

要有效提高能效，满足效率要求，软开关拓扑以及现代化的功率器件是关键因素。金台勋进一步分析道，从“提高转换效率”方面来看，控制逻辑和功率半导体开关所带来的损耗是同样重要的。软开关技术、高电流能力，以及使用功率半导体开关实现的快速开关功能将比以往更为重要。从“降低待机功耗”的角度来看，控制算法和无源元件选择被视为最重要的因素，因而需要专门的简单模拟或数字逻辑算法。同时，控制算法必须匹配正常运作模式的控制逻辑。数字逻辑可以提供更大的灵活性，以匹配多种正常运作模式。此外，先进的封装也是实现较高功率密度和更好的热性能设计的关键因素。

“任何系统的功耗问题都必须以两种方式应对：首先，在整个负载电流范围内最大限度地提高转换效率；其次，在所有工作模式时降低从 DC/DC 转换器吸取的静态电流。”凌力尔特的Tony Armstrong指出，“为了在降低系统功耗方面发挥积极作用，电源转换和管理 IC 的效率必须更高，即具有更低的功耗，而且在轻负载和休眠模式时具有非常低的功耗。”

凌力尔特公司在很多电源管理和转换 IC 中采用了获得专利的突发模式 (Burst Mode) 技术。“该技术最大限度地降低了 IC 本身在备用模式时所需的电流。在很多情况下，这种备用静态电流低于 10μA。” Armstrong介绍，凌力尔特最近推出了一款 60V 输入的降压型转换器 LT3990，该器件在备用模式时只有 2.5μA 的静态电流。

在具体应用设计方面，研发人员也面临不少挑战。为此，半导体供应商采取针对应用的策略，为特定设计和市场开发优化技术以及高效的解决方案。以太阳能/风电应用为例，系统供应商一般都拥有自己的专利逆变器应用拓扑，半导体供应商必须开发专用的产品，并跟进太阳能/风电逆变器市场不断演进的新兴技术发展趋势。

在此类系统中，大功率变流器的设计是一个挑战，涉及到IGBT的应用技术，如IGBT的并联技术、驱动技术和热设计等等；交流逆变器由于采用未经优化的功率器件，因而导致大的开关及通态损耗；此外，还要应对重量和成本的问题。

“目前，市场需要650V或以上的MOSFET/IGBT，因其输入电压提高，可以获得更高的效率。此外，使用SiC SBD作为成套解决方案。为了扩展10kW以上的市场覆盖范围，还需要使用IGBT/IPM模块。”金台勋进一步谈道，一般来说，光伏逆变器需要使用至少10年或更长时间，以确保25年的平均故障间隔时间(MTBF)，这意味着使用环境非常恶劣，且需要更高的可靠性。在这种情况下，模块化解决方案的可靠性高于分立解决方案，现在，Dumb 模块或带有HVIC的模块已经面市。光伏逆变器用户更喜欢使用工业级模块解决方案以获得更好的可靠性。

对于风电应用系统，提高单机功率是个趋势，尤其是离岸和潮汐带的风力资源需要大功率风机，以提高资源利用率。“这就需要更大电流、更高电压的功率半导体器件，主要是IGBT模块。”陈子颖指出，而对于太阳能发电，功率器件的效率则更重要，目前这类器件正在不断发展中，如FieldStop IGBT、HighSpeed3 IGBT，CoolMOS、碳化硅(SiC)二极管在高能效的太阳能逆变器中都有出色的表现。

在这方面，英飞凌已经推出整体设计方案和产品，例如PrimeStack，MODStack产品，使逆变器厂商能够实现更高效率、更高功率的设计方案。IR则开发出600V IGBT系列产品，可以在太阳能逆变器应用中、在高达3kW功率下，减少多达30%的功耗。潘大伟介绍：“这些器件采用IR最新的场终止沟道(Field Stop Trench)技术来降低通态损耗和开关损耗，优化了20kHz开关，并降低了短路要求，提高了太阳能逆变器应用的电源转换效率。”

“现在大部分采用硅功率器件的应用，以及基于硅器件的限制而未能出现的新应用，将来都会以GaN功率器件来实现。”潘大伟表示，“目前IR已经推出了GaN功率器件技术平台GaNpowIR。我们相信这种技术的早期采用者，将会是那些可以从功率密度、电源转换效率和成本控制等主要功能而得益的市场和应用。”