效率真正的含義是什么，為什么不能更上一層，精益求精？

1983 年 10 月，前所未有的風(fēng)力發(fā)電機投入運轉，世界上最大的風(fēng)能轉換器 Growian（德文縮寫(xiě)，意指大型風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)）就此正式亮相。之后，這臺 3MW 機器被認為是改變世界的里程碑。雖然這在當時(shí)是一種巧妙的設計，異步發(fā)電機產(chǎn)生的電力通過(guò)幾個(gè)齒輪箱輸送到電網(wǎng)，并從可變頻率轉為固定頻率需要利用旋轉機械的機械轉換器。堆疊 5 個(gè)機械系統導致轉換效率低于 80%，而損耗則超出 600kW。如今，生成、輸送、儲存和利用電能是工業(yè)化國家面臨的一個(gè)主要挑戰。雖然規模從瓦特到兆瓦不等，但是任務(wù)本身的性質(zhì)不變。

功率面臨的難題

節約1W 的能源似乎微不足道，然而設備中這個(gè)數字累加起來(lái)卻是不容忽視的。手機就是這類(lèi)應用的個(gè)中代表。手機使用 USB 端口在 5V 的電壓下充電，輸出功率是 2.5 W。在高壓 MOSFET 時(shí)代之前，要完成這項任務(wù)需要一臺變壓器、一臺整流器和一臺線(xiàn)性穩壓器，系統效率僅約為 50%. 如今，緊湊的開(kāi)關(guān)式電源即可完成相同任務(wù)，且轉換效率可高達 85%。僅在德國使用的手機數量就有大約 1 億臺，每天充電一小時(shí)，半導體提供的改進(jìn)能夠每年節約高達 146,000MWh 的電能。

低于 1kW 的任務(wù)

自 1982 年 Commodore C64 問(wèn)世以來(lái)，如今歐洲幾乎每個(gè)家庭都有個(gè)人電腦。但是直到 2004 年才開(kāi)始實(shí)施 80Plus 計劃，提倡使用效率至少為 80%的電源。雖然這些計算機大部分在 100W 級別的電源下運轉，大功率顯卡和其余附件會(huì )將功率消耗增加至 1000W。

相較于 C64 基于變壓器和線(xiàn)性穩壓器的電源，現代的開(kāi)關(guān)式電源結構更為復雜，但是效率更高、重量更輕、體積更小，因此每瓦特輸出功率消耗的資源更少。在德國，有 6600 萬(wàn)臺私人電腦，功率半導體每年就能幫助節省 10,000,000MWh 的電能。如果平均效率從 80% 提高到 90%，這個(gè)數字還會(huì )翻上一倍

兆瓦處理面臨的挑戰

德國的“Energiewende”是一個(gè)能源項目，目的是到 2020 年消除對核能的需求，轉而投向使用可再生能源的集中式發(fā)電廠(chǎng)。鑒于任何可再生能源都具有波動(dòng)性，因此需要進(jìn)行儲能。生產(chǎn)時(shí)間和消耗時(shí)間之間的平衡將是實(shí)現所需可用性穩定供應的一個(gè)關(guān)鍵因素。方案所述的能量流動(dòng)方式請參見(jiàn)圖 1，詳看之后不難發(fā)現，功率半導體面臨的挑戰現已顯而易見(jiàn)：


來(lái)自太陽(yáng)能電池陣 (1) 或風(fēng)能轉換器 的能源通過(guò)電力電子處理后能與電網(wǎng)兼容。相比 1983 年的 Growian，現在的風(fēng)能轉換器效率提高了 20%左右。一個(gè)普通的現代 2MW 風(fēng)能發(fā)電廠(chǎng)每年全功率運行 1000 小時(shí)，由于電力電子取代機械轉換器實(shí)現的效率提升，增加的能量采集可達到 400,000kWh。2013 年德國可再生能源產(chǎn)生的發(fā)電量約為 1350 億 kWh。如果沒(méi)有電力電子，損失電量將高達 270 億 kWh。

采用高壓直流電路 (HVDC)，使交流/直流和直流/交流轉換進(jìn)行輸送是最高效的長(cháng)距離能量輸送 (3) 方式。電池儲能 (4) 同樣需要交流/直流轉換，而能量回收是直流/交流轉換的一種路徑。甚至在到達終端客戶(hù)之前，能源至少 5 次通過(guò)電力電子并被轉換 7 次（包括電池的化學(xué)轉換）?？紤]到每個(gè)國家 95%的轉換效率，30%的初始能量會(huì )丟失?？赏ㄟ^(guò)不同但是相互作用的層面改善電力電子轉換系統的情況。
[page]
技術(shù)改進(jìn)

在某種度上，可通過(guò)調整工藝流程或材料的細微變化改進(jìn)現有技術(shù)。功率半導體開(kāi)關(guān) IGBT 就得益于薄晶圓技術(shù)，因為這種技術(shù)能夠降低開(kāi)關(guān)損耗。更改元胞設計但原材料保持不變可優(yōu)化正向電壓。提高結溫而不影響使用壽命能實(shí)現更高的功率密度，同時(shí)減少每千瓦裝機使用的材料。圖 2 的圖表總結了功率半導體技術(shù)最近和當前的發(fā)展情況。


技術(shù)變革

圖 2 還暗示了一個(gè)事實(shí)，即從某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，需要技術(shù)變革以克服現有技術(shù)的不足。對于功率半導體，碳化硅 (SiC) 或氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙材料是進(jìn)一步提高效率且極具競爭力的不二之選。這些新材料有兩種利用方案。

首先，IGBT從雙極晶體管轉向基于場(chǎng)效應的器件克服了 PN 結的困境。并聯(lián)的 IGBT 還會(huì )導致整個(gè) PN 結內出現正向電壓，從而限制了效率方面的效益?；趫?chǎng)效應的器件具有溝道電阻，并聯(lián)的 n 個(gè)器件會(huì )以 n-1 的系數改善整體電阻。效率就變成集成多少設備的問(wèn)題，這直接關(guān)聯(lián)到花費的成本。

第二種方案是結合硅 IGBT 與碳化硅肖特基勢壘二極管的混合器件，如圖 3 所示。碳化硅二極管可提高 IGBT 開(kāi)通速度，從而減少開(kāi)通損耗；沒(méi)有恢復電荷，二極管就不會(huì )存在恢復損耗。

系統開(kāi)發(fā)

現在，電力電子使用最廣泛的拓撲結構包括以 2 電平半橋為基本構件的三相逆變器。根據具體應用，拓撲結構的變化可能導致效率方面的效益。近年來(lái)，太陽(yáng)能逆變器的設計已從 2電平過(guò)渡到 3電平。這種變化的驅動(dòng)力是使用 650V 半導體取代 1200V 組件以實(shí)現效率提高。此外，從本質(zhì)上降低開(kāi)關(guān)損耗也有利于提高效率。

通過(guò)在最大化效率的同時(shí)最大限度減少材料用量，英飛凌成功地與諾丁漢大學(xué)合作，將新技術(shù)結合到不同的拓撲結構中。合作結果是采用碳化硅 JFET 構建了矩陣轉換器。這個(gè)四象轉換器在滿(mǎn)載條件下效率高達 97%，在部分負荷條件下甚至更高。


這就足夠了嗎？

過(guò)去幾十年來(lái)，現代能量轉換效率得到大幅度提升。然而，日益增長(cháng)的能源需求和可再生能源的發(fā)電與儲存急需這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。越來(lái)越多的電力在從發(fā)電到消耗的過(guò)程中需要通過(guò)半導體，因此高效半導體是節約能源的一個(gè)有效方法。一旦有了明確的目標，工程師就需要努力實(shí)現更高的效率。低于“1”是永遠不夠的。

相關(guān)閱讀：

一篇文章，讀懂電力電子器件的歷史與未來(lái)
電力電子學(xué)習筆記：整流電路分析及問(wèn)題集錦【原創(chuàng )】
什么影響著(zhù)光伏逆變器轉換效率？