【導讀】80年代的3MW的風能轉換器被視為改變世界的里程碑。但是這種機械系統的轉換效率卻低于80%，損耗超出600KW。電力電子效率非常低，那么如何才能讓電力電子的效率更上一層樓呢？
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，前所未有的風力發電機投入運轉，世界上最大的風能轉換器 Growian（德文縮寫，意指大型風力發電廠）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。雖然這在當時是一種巧妙的設計，異步發電機產生的電力通過幾個齒輪箱輸送到電網，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化國家面臨的一個主要挑戰。雖然規模從瓦特到兆瓦不等，但是任務本身的性質不變。
功率面臨的難題
節約1W 的能源似乎微不足道，然而設備中這個數字累加起來卻是不容忽視的。手機就是這類應用的個中代表。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 時代之前，要完成這項任務需要一臺變壓器、一臺整流器和一臺線性穩壓器，系統效率僅約為 50%. 如今，緊湊的開關式電源即可完成相同任務，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，半導體提供的改進能夠每年節約高達 146,000MWh 的電能。
低于 1kW 的任務
自 1982 年 Commodore C64 問世以來，如今歐洲幾乎每個家庭都有個人電腦。但是直到 2004 年才開始實施 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將功率消耗增加至 1000W。
相較于 C64 基于變壓器和線性穩壓器的電源，現代的開關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%，這個數字還會翻上一倍
兆瓦處理面臨的挑戰
德國的“Energiewende”是一個能源項目，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電廠。鑒于任何可再生能源都具有波動性，因此需要進行儲能。生產時間和消耗時間之間的平衡將是實現所需可用性穩定供應的一個關鍵因素。方案所述的能量流動方式請參見圖 1，詳看之后不難發現，功率半導體面臨的挑戰現已顯而易見：
圖1：結合可再生能源發電和電池儲能的供電電網圖示意圖
來自太陽能電池陣 (1) 或風能轉換器 的能源通過電力電子處理后能與電網兼容。相比 1983 年的 Growian，現在的風能轉換器效率提高了 20%左右。一個普通的現代 2MW 風能發電廠每年全功率運行 1000 小時，由于電力電子取代機械轉換器實現的效率提升，增加的能量采集可達到 400,000kWh。2013 年德國可再生能源產生的發電量約為 1350 億 kWh。如果沒有電力電子，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/交流轉換進行輸送是最高效的長距離能量輸送 (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之前，能源至少 5 次通過電力電子并被轉換 7 次（包括電池的化學轉換）。考慮到每個國家 95%的轉換效率，30%的初始能量會丟失。可通過不同但是相互作用的層面改善電力電子轉換系統的情況。
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技術改進
在某種度上，可通過調整工藝流程或材料的細微變化改進現有技術。功率半導體開關 IGBT 就得益于薄晶圓技術，因為這種技術能夠降低開關損耗。更改元胞設計但原材料保持不變可優化正向電壓。提高結溫而不影響使用壽命能實現更高的功率密度，同時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最近和當前的發展情況。
圖2：功率半導體三十年的發展
技術變革
圖 2 還暗示了一個事實，即從某個時刻開始，需要技術變革以克服現有技術的不足。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效應的器件克服了 PN 結的困境。并聯的 IGBT 還會導致整個 PN 結內出現正向電壓，從而限制了效率方面的效益。基于場效應的器件具有溝道電阻，并聯的 n 個器件會以 n-1 的系數改善整體電阻。效率就變成集成多少設備的問題，這直接關聯到花費的成本。
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 開通速度，從而減少開通損耗；沒有恢復電荷，二極管就不會存在恢復損耗。
系統開發
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，太陽能逆變器的設計已從 2電平過渡到 3電平。這種變化的驅動力是使用 650V 半導體取代 1200V 組件以實現效率提高。此外，從本質上降低開關損耗也有利于提高效率。
通過在最大化效率的同時最大限度減少材料用量，英飛凌成功地與諾丁漢大學合作，將新技術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。這個四象轉換器在滿載條件下效率高達 97%，在部分負荷條件下甚至更高。
圖 3：內置效率，帶 SiC-JFET 的 20kVA 轉換器，尺寸：12.2cm x 6.2cm x 11.7cm，重 1.7kg
這就足夠了嗎？
過去幾十年來，現代能量轉換效率得到大幅度提升。然而，日益增長的能源需求和可再生能源的發電與儲存急需這個領域進行進一步改進。越來越多的電力在從發電到消耗的過程中需要通過半導體，因此高效半導體是節約能源的一個有效方法。一旦有了明確的目標，工程師就需要努力實現更高的效率。低于“1”是永遠不夠的。
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