Back

可以提高工业逆变器功率转换效率并具有节能效果的半导体

02/05/2024

随着向无碳社会的推进以及能源的短缺，全球对可再生能源寄予厚望，对不断提高能源利用效率并改进逆变器技术（节能的关键）提出了更高要求。而功率元器件和模拟IC在很大程度上决定了逆变器的节能性能和效率。通过在适合的应用中使用功率元器件和模拟IC，可以进一步提高逆变器的功率转换效率，降低工业设备的功耗，从而实现节能。本文将为您介绍在新型逆变器中应用日益广泛的先进功率元器件和模拟IC的特性及特点。

什么是具有节能效果的逆变器？

逆变器是用来将直流电（DC）转换为交流电（AC）并有效地提供所需电力的设备。使用效率高的逆变器，可以更大程度地提高设施和设备的性能并降低能耗。

提到逆变器，很多人通常可能会认为它是在FA应用中用来控制电机的技术，或者用来使电泵、风门、风扇、鼓风机、空调等平稳运行的技术。其实，有效地转换电能也是逆变器的一个主要用途，是使工业设备更节能的关键技术。特别是在追求无碳社会和碳中和的进程中，太阳能发电设施中使用的光伏逆变器市场和充电桩市场不断增长，从而对具有出色能量转换效率的逆变器的需求也日益高涨。接下来将围绕逆变器的功率转换进行具体说明。

逆变器的主要用途

逆变器及其相关的功率元器件解决方案在促进包括太阳能发电系统在内的各种工业设施和设备的节能和效率提升方面发挥着核心作用。
另外，逆变器的高效运作高度依赖于半导体技术的进步。通过使用先进的半导体，可以使逆变器更高效、更稳定地工作。此外，还可以延长设备的使用寿命，先进半导体产品能够带来诸多好处。

需要高效率逆变器的工业用能源设备示例

为什么必须要使逆变器更加节能？

世界上第一台逆变器诞生于1958年。日本的第一款逆变器产品诞生于1966年。
逆变器本身已经不是一项新技术，大家所用的设施和电气设备中都有可能配有逆变器。
然而，如今对使用中的设施和设备中的逆变器进行改进的需求越来越多。

其主要原因之一是制造现场的用电量增加。
目前，很多生产设施的自动化和智能化程度都越来越高。尽管单台设备都更加节能，但从设施整体看，用电量却在增加，这种情况屡见不鲜。
要想更大程度地发挥出设施的节能性能，逆变器也需要具备相应的性能。

另一个主要原因是设备电压提升以及对设备小型化、轻量化的要求提高。例如，在太阳能发电设施中，电压越来越高，功率调节器却越来越小、越来越轻，这就要求作为功率转换设备的逆变器能够满足这些需求。

功率元器件是提高逆变器节能效果的关键所在

使用逆变器进行功率转换时，大约有90%的功率损耗是由功率元器件造成的。
因此，可以毫不夸张地说，功率元器件的性能决定了逆变器的性能。

在工业设备领域，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。在逆变器领域也呈现同样的趋势。

那么，应该如何为逆变器选择合适的功率元器件呢？
事实上，并不是仅仅更换为新的SiC元器件或GaN器件即可解决问题。这是因为设施的规模和需求不同，相应的解决方案也会不同。根据设施需求和用途选择合适的功率元器件解决方案，就可以实现性价比更高和能量转换效率更出色的逆变器，从而通过逆变器实现节能。

例如，ROHM的功率元器件产品群具有以下特点：

ROHM功率元器件的产品阵容及其特点

解决不同课题和困扰的各种半导体产品的特点及优势

理想的功率元器件解决方案会因逆变器的用途和需要解决的问题和困扰而有所不同。
那么，具体而言，哪些需求更多呢？
如果分得太细，涵盖的范围将非常广，所以在这里仅介绍具有代表性的需求以及相应的理想功率元器件解决方案。

什么才是满足逆变器需求的理想功率元器件解决方案？

1. 希望优先提高转换效率

当希望优先提高转换效率、提高发电量时，建议采用SiC MOSFET和SiC SBD等SiC器件。
SiC器件具有耐压高、导通电阻低和开关速度快的优异特性，因此用SiC器件替代Si器件可以提升转换效率，有助于提高发电量。

例如，当要通过家用光伏逆变器提高平均照度下的发电量时，用SiC器件替代Si器件可将发电量提高3.4%左右，即1kW～2kW时的发电能力预计可改善约45W（全年210kWh）^*。另外，对于支持高电压和大电流的逆变器的需求也与日俱增。
^*发电5kW时约为130W（全年570kWh）。

损耗Down!　转换效率UP!

2. 希望既能提高转换效率，又能降低成本

既希望提高转换效率，又希望降低成本。Hybrid-IGBT可以满足这样的需求。
Hybrid-IGBT是在传统IGBT的反馈单元（续流二极管）中使用了ROHM低损耗SiC SBD的Hybrid型IGBT，与传统的IGBT相比，可以大大降低导通时的开关损耗。

该系列产品非常适用于诸如电动汽车（xEV）中的车载充电器和DC-DC转换器、太阳能发电系统中的光伏逆变器等处理大功率的工业设备和汽车电子设备，具有功率损耗低于Si器件、成本效益优于SiC器件的优点。

另外，对于太阳能发电设施中使用的逆变电路、图腾柱PFC电路和LLC电路，建议使用融入了Super Junction技术的PrestoMOS™。PrestoMOS™通过采用ROHM专利技术，同时实现了业界超快反向恢复时间和原本难以同时实现的低导通电阻，与同等的普通产品相比，更有助于逆变器节能。

控制成本，改善效率！

利用ROHM的专利技术，实现更高速、更高效的SJ MOS

3. 希望有助于设备的小型化和轻量化

不仅要求设备的节能性能出色，还希望设备的体积更小。
尤其是在太阳能发电设施中，分布式系统的普及要求减轻设备重量以降低安装成本，因此相应的产品呈现小型化趋势。针对此类需求，建议采用GaN器件，这种器件在现有的集中式光伏逆变器中作为替代品已经开始普及，是非常适用于微型逆变器的器件。

GaN器件具有出色的开关特性和高频特性，因而在市场上的应用日益广泛。
不仅如此，其导通电阻也低于Si器件，在助力众多应用实现更低功耗和小型化方面被寄予厚望。

在太阳能发电设施所用的光伏逆变器中，在其MPPT（Maximum Power Point Tracking）和蓄电单元采用GaN器件，与采用SiC器件时相比，可以进一步降低构成电路的线圈部件的电感值（L），从而能够减少绕线匝数、或使用尺寸更细的芯材，因此有助于大大缩小线圈的体积。另外，还可以减少电解电容器的数量，与Si器件（IGBT）相比，所需安装面积更小。

ROHM将有助于应用产品的节能和小型化的GaN器件命名为“EcoGaN™系列”，并一直致力于进一步提高器件的性能。

* EcoGaN™是ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。

开关频率更高，产品更小，安装面积更少还非常适用于微型逆变器

另一种推荐方法是利用上述第1节中介绍的SiC MOSFET在高温环境下优异的工作特性优势。由于这种器件的容许损耗低，发热量少，因此可通过与合适的外围元器件相结合来减小散热器件的数量和尺寸，从而减轻逆变器的重量。

模拟IC

与功率元器件一样，电源IC和栅极驱动器等模拟IC对逆变器的性能影响也很大。
电源IC可以控制设备运行所需的电压，是相当于电气设备心脏的重要器件，起到将电压转换为合适的电压并稳定供电的作用。
栅极驱动器可以控制MOSFET和IGBT的驱动，通过控制栅极电压来执行ON/OFF开关动作。
由于大部分功率损耗发生在开关过程中，因此栅极驱动器对于提高节能性能而言是非常重要的器件。
栅极驱动器不仅适用于使用大电流的工业设备，还适用于要求高耐压的应用。

电源IC

对于逆变器用的电源IC，推荐采用内置SiC MOSFET的电源IC。
这种产品已经将SiC MOSFET内置于电源IC中，应用产品无需进行SiC MOSFET驱动电路设计，因此可以大大减少元器件数量，并且可以利用保护电路实现安全的栅极驱动。

电源IC

栅极驱动器IC

虽然SiC MOSFET和GaN器件的性能很高，但它们的开关控制较难，因此离不开高性能的栅极驱动器IC。
ROHM拥有可以更好地驱动上述各种功率器件的丰富的栅极驱动器IC产品群。例如，ROHM开发的GaN用栅极驱动器IC，可以更大程度地激发出GaN的高速开关性能，助力应用产品实现节能和小型化。

分流电阻器

在电流检测用途中使用的分流电阻器也是有助于大功率应用产品小型化的重要元件。随着应用产品的功率越来越高，对于能够处理大功率且阻值低的分流电阻器的需求也不断增长。
分流电阻器的亮点在于其优异的散热性能和出色的温度特性。
ROHM的产品阵容中包括支持高达4W～10W级额定功率的低阻值分流电阻器GMR系列，使用该系列产品，即使在大功率条件下工作也能实现高精度的电流检测，有助于设备的安全运行以及节能和小型化。

总结

为提高能源利用率，逆变器技术正在突飞猛进地发展，并已成为包括工业应用在内的各种能源设备不可或缺的组成部分。利用这项技术，可以通过将直流电转换为交流电并根据需要优化供电，来减少能源浪费并延长设施和设备的使用寿命。另外，通过使用符合应用需求和目的的理想半导体解决方案，可以进一步提高逆变器的功率转换效率。ROHM通过推动先进功率元器件和模拟IC在逆变器中的应用，来促进各种设备的节能，从而为实现可持续发展社会贡献力量。