【導讀】隨著(zhù)向無(wú)碳社會(huì )的推進(jìn)以及能源的短缺，全球對可再生能源寄予厚望，對不斷提高能源利用效率并改進(jìn)逆變器技術(shù)（節能的關(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能性能和效率。通過(guò)在適合的應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換效率，降低工業(yè)設備的功耗，從而實(shí)現節能。本文將為您介紹在新型逆變器中應用日益廣泛的先進(jìn)功率元器件和模擬IC的特性及特點(diǎn)。
隨著(zhù)向無(wú)碳社會(huì )的推進(jìn)以及能源的短缺，全球對可再生能源寄予厚望，對不斷提高能源利用效率并改進(jìn)逆變器技術(shù)（節能的關(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能性能和效率。通過(guò)在適合的應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換效率，降低工業(yè)設備的功耗，從而實(shí)現節能。本文將為您介紹在新型逆變器中應用日益廣泛的先進(jìn)功率元器件和模擬IC的特性及特點(diǎn)。
什么是具有節能效果的逆變器？
逆變器是用來(lái)將直流電（DC）轉換為交流電（AC）并有效地提供所需電力的設備。使用效率高的逆變器，可以更大程度地提高設施和設備的性能并降低能耗。
提到逆變器，很多人通?？赡軙?huì )認為它是在FA應用中用來(lái)控制電機的技術(shù)，或者用來(lái)使電泵、風(fēng)門(mén)、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、空調等平穩運行的技術(shù)。其實(shí)，有效地轉換電能也是逆變器的一個(gè)主要用途，是使工業(yè)設備更節能的關(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)電設施中使用的光伏逆變器市場(chǎng)和充電樁市場(chǎng)不斷增長(cháng)，從而對具有出色能量轉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)電系統在內的各種工業(yè)設施和設備的節能和效率提升方面發(fā)揮著(zhù)核心作用。另外，逆變器的高效運作高度依賴(lài)于半導體技術(shù)的進(jìn)步。通過(guò)使用先進(jìn)的半導體，可以使逆變器更高效、更穩定地工作。此外，還可以延長(cháng)設備的使用壽命，先進(jìn)半導體產(chǎn)品能夠帶來(lái)諸多好處。
為什么必須要使逆變器更加節能？
逆變器本身已經(jīng)不是一項新技術(shù)，大家所用的設施和電氣設備中都有可能配有逆變器。然而，如今對使用中的設施和設備中的逆變器進(jìn)行改進(jìn)的需求越來(lái)越多。
其主要原因之一是制造現場(chǎng)的用電量增加。目前，很多生產(chǎn)設施的自動(dòng)化和智能化程度都越來(lái)越高。盡管單臺設備都更加節能，但從設施整體看，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)揮出設施的節能性能，逆變器也需要具備相應的性能。
另一個(gè)主要原因是設備電壓提升以及對設備小型化、輕量化的要求提高。例如，在太陽(yáng)能發(fā)電設施中，電壓越來(lái)越高，功率調節器卻越來(lái)越小、越來(lái)越輕，這就要求作為功率轉換設備的逆變器能夠滿(mǎn)足這些需求。
功率元器件是提高逆變器節能效果的關(guān)鍵所在
使用逆變器進(jìn)行功率轉換時(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)域也呈現同樣的趨勢。
那么，應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。這是因為設施的規模和需求不同，相應的解決方案也會(huì )不同。根據設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)現性?xún)r(jià)比更高和能量轉換效率更出色的逆變器，從而通過(guò)逆變器實(shí)現節能。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體產(chǎn)品的特點(diǎn)及優(yōu)勢
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，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的理想功率元器件解決方案。
1. 希望優(yōu)先提高轉換效率
當希望優(yōu)先提高轉換效率、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器件可以提升轉換效率，有助于提高發(fā)電量。
例如，當要通過(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)電能力預計可改善約45W（全年210kWh）*。另外，對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. 希望既能提高轉換效率，又能降低成本
既希望提高轉換效率，又希望降低成本?？梢詽M(mǎn)足這樣的需求。Hybrid IGBT是在傳統IGBT的反饋單元（續流二極管）中使用了羅姆低損耗SiC SBD（肖特基勢壘二極管）的Hybrid型IGBT，與傳統的IGBT相比，可以大大降低導通時(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轉換器IC、太陽(yáng)能發(fā)電系統中的光伏逆變器等處理大功率的工業(yè)設備和汽車(chē)電子設備，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，對于太陽(yáng)能發(fā)電設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)現了業(yè)界超快反向恢復時(shí)間（trr）和原本難以同時(shí)實(shí)現的低導通電阻，與同等的普通產(chǎn)品相比，更有助于逆變器節能。
* PrestoMOS?是ROHM Co., Ltd.的商標或注冊商標。
3. 希望有助于設備的小型化和輕量化
不僅要求設備的節能性能出色，還希望設備的體積更小。尤其是在太陽(yáng)能發(fā)電設施中，分布式系統的普及要求減輕設備重量以降低安裝成本，因此相應的產(chǎn)品呈現小型化趨勢。針對此類(lèi)需求，建議采用GaN器件，這種器件在現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)上的應用日益廣泛。不僅如此，其導通電阻也低于Si器件，在助力眾多應用實(shí)現更低功耗和小型化方面被寄予厚望。
在太陽(yáng)能發(fā)電設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、或使用尺寸更細的芯材，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量，與Si器件（IGBT）相比，所需安裝面積更小。羅姆將有助于應用產(chǎn)品的節能和小型化的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.的商標或注冊商標。
另一種推薦方法是利用上述第1節中介紹的SiC MOSFET在高溫環(huán)境下優(yōu)異的工作特性?xún)?yōu)勢。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合來(lái)減小散熱器件的數量和尺寸，從而減輕逆變器的重量。
模擬IC
與功率元器件一樣，電源IC和柵極驅動(dòng)器IC等模擬IC對逆變器的性能影響也很大。電源IC可以控制設備運行所需的電壓，是相當于電氣設備心臟的重要器件，起到將電壓轉換為合適的電壓并穩定供電的作用。柵極驅動(dòng)器IC可以控制MOSFET和IGBT的驅動(dòng)，通過(guò)控制柵極電壓來(lái)執行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，因此柵極驅動(dòng)器IC對于提高節能性能而言是非常重要的器件。柵極驅動(dòng)器IC不僅適用于使用大電流的工業(yè)設備，還適用于要求高耐壓的應用。
電源IC
對于逆變器用的電源IC，推薦采用內置SiC MOSFET的電源IC。這種產(chǎn)品已經(jīng)將SiC MOSFET內置于電源IC中，應用產(chǎn)品無(wú)需進(jìn)行SiC MOSFET驅動(dòng)電路設計，因此可以大大減少元器件數量，并且可以利用保護電路實(shí)現安全的柵極驅動(dòng)。
柵極驅動(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)高性能的柵極驅動(dòng)器IC。羅姆擁有可以更好地驅動(dòng)上述各種功率器件的豐富的柵極驅動(dòng)器IC產(chǎn)品群。例如，羅姆開(kāi)發(fā)的GaN用柵極驅動(dòng)器IC，可以更大程度地激發(fā)出GaN的高速開(kāi)關(guān)性能，助力應用產(chǎn)品實(shí)現節能和小型化。
分流電阻器
在電流檢測用途中使用的分流電阻器也是有助于大功率應用產(chǎn)品小型化的重要元件。隨著(zhù)應用產(chǎn)品的功率越來(lái)越高，對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(cháng)。
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3W～10W級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)現高精度的電流檢測，有助于設備的安全運行以及節能和小型化。
總結
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)應用在內的各種能源設備不可或缺的組成部分。利用這項技術(shù)，可以通過(guò)將直流電轉換為交流電并根據需要優(yōu)化供電，來(lái)減少能源浪費并延長(cháng)設施和設備的使用壽命。另外，通過(guò)使用符合應用需求和目的的理想半導體解決方案，可以進(jìn)一步提高逆變器的功率轉換效率。羅姆通過(guò)推動(dòng)先進(jìn)功率元器件和模擬IC在逆變器中的應用，來(lái)促進(jìn)各種設備的節能，從而為實(shí)現可持續發(fā)展社會(huì )貢獻力量。
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