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能量需求不斷攀升 “節約能源”是我們都非常熟悉的口號，但全球能源需求短期內并不會(huì )下降。工業(yè)能源協(xié)會(huì )認為，到2040年，能源需求將比2018年增加約50%。樂(lè )觀(guān)地說(shuō)，只有三分之二的增長(cháng)是來(lái)自可再生能源。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計算就可以知道，這意味著(zhù)來(lái)自化石燃料的實(shí)際能量基本保持不變。你可能會(huì )認為，未來(lái)可再生能源的增加會(huì )讓能源轉換效率變得不那么重要。比如，無(wú)論你是否攔截太陽(yáng)能并將其轉化為電能，太陽(yáng)能都能使環(huán)境變暖，并最終為負載提供熱量。能量損失仍然是不必要的支出，特別是在目前可再生能源成本較高的情況下。因此在可預見(jiàn)的未來(lái)，石油和天然氣仍會(huì )與太陽(yáng)能、風(fēng)能和其他能源混合使用，從能源到負載的能量轉換效率仍然是主要問(wèn)題。 能量轉換：效率問(wèn)題 對于采用諧振轉換技術(shù)的現代設計，現在的能量轉換效率已經(jīng)很高，進(jìn)一步的改善已經(jīng)深入到了基本元件特性，特別是半導體開(kāi)關(guān)。理想情況是，在“開(kāi)關(guān)模式”設計中，這些開(kāi)關(guān)要么是“關(guān)”，要么是“開(kāi)”，無(wú)論哪種情況，只要“開(kāi)”真的是短路，就不會(huì )消耗電力。而現實(shí)情況是，即便幾毫歐姆的導通電阻也會(huì )造成顯著(zhù)的損耗。當晶體管在開(kāi)/關(guān)狀態(tài)之間切換時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生一些瞬態(tài)損耗。 瞬態(tài)損耗有可能在很短的時(shí)間內達到千瓦級。因此，保持低損耗意味著(zhù)要降低導通電阻，加快器件開(kāi)關(guān)速度，從而使瞬態(tài)損耗持續時(shí)間更短，平均值更低。傳統的硅基開(kāi)關(guān)，如IGBT和MOSFET，正在不斷改進(jìn)，但新材料如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)在材質(zhì)特性上更勝一籌，現在有很大希望在能量轉換效率上更進(jìn)一步。 SiC和GaN寬禁帶器件縮小了效率鴻溝 SiC和GaN在原子級別上就與硅 (Si) 截然不同。寬禁帶是指材料中的電子從“價(jià)帶”躍遷到“導帶”以實(shí)現電流流動(dòng)所需的能量。SiC和GaN所需的能量值大約是Si的兩倍，這對用SiC和GaN材料制作的器件影響非常大。SiC和GaN的導通電阻更低，開(kāi)關(guān)速度更快，適應的工作溫度更高，芯片面積更小，特別是SiC，其熱導率遠優(yōu)于Si和GaN。這意味著(zhù)它們組合使用，生成的熱量會(huì )更少，而多余的熱量會(huì )被高效散出，從而成就尺寸更小、更高效的器件。另外，還有一些連鎖反應的好處：更高的轉換效率意味著(zhù)更少的外部冷卻；更快的開(kāi)關(guān)速度允許其他系統組件縮小尺寸，降低成本和產(chǎn)品尺寸；驅動(dòng)開(kāi)關(guān)所需的功率遠低于競爭對手Si器件；碳化硅和氮化鎵本身就具有抗輻射能力 (rad-hard)。這些優(yōu)點(diǎn)再加上其耐高溫優(yōu)勢，使其非常適合航空航天應用。那么，有什么理由不受追捧呢？ 寬禁帶半導體的應用正在加速 設計師們喜歡SiC和GaN，不過(guò)要提醒的是：作為新技術(shù)，其成本也不可避免地更高一些。這些成本現在已經(jīng)在逐步降低，制造商們聲稱(chēng)，如果考慮到它們給整個(gè)系統帶來(lái)的節約，其生命周期的總體成本其實(shí)更低。另外，它們在驅動(dòng)設備方面比Si更挑剔。在有些情況下，用戶(hù)要等到更多的可靠性數據后才會(huì )從更成熟的Si技術(shù)遷移過(guò)來(lái)。 與此同時(shí)，SiC和GaN器件制造商正在穩步革新，寬禁帶技術(shù)被認為還有一段路要走。導通電阻減小，額定電壓提高，創(chuàng )新型封裝結構被用來(lái)最大限度地發(fā)揮器件的性能，實(shí)驗室和現場(chǎng)的可靠性數據也在不斷累積。即便是敏感的柵極驅動(dòng)問(wèn)題也已用與Si MOSFET封裝在一起的SiC或GaN器件的共源共柵結構解決。 SiC和GaN有望成為半導體開(kāi)關(guān)的未來(lái)，其效率增益正在接近實(shí)際互連設定的理論極限。對于電源工程師來(lái)說(shuō)，要等到目標再次發(fā)生變動(dòng)，才會(huì )祭出另一個(gè)寬禁帶法寶。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：Paul Lee曾發(fā)表過(guò)200多篇關(guān)于電源主題的文章和博客文章，以及一本關(guān)于電源設計技術(shù)的書(shū)《Power Supplies Explained》。作為一名擁有電子專(zhuān)業(yè)學(xué)位的特許工程師，Lee曾擔任Murata Power Solutions的工程主管，并管理歐洲電源制造商協(xié)會(huì )。 |
