高效率當然是一個優點,但有時“高”的說法并不準確,例如:家用電子設備散發出“較高”的熱量,可以減輕您的中央供暖工作在寒冷氣候中的工作量,或許能從能源使用和成本上得到好處,也可能會采用效率較低的鍋爐。當你需要暖和的時候,如果你把白熾燈形容為“更高”,它可以在您需要溫暖時成為非常高效的加熱器。過去,功率轉換器的效率提高是很難實現和測量的。而SiCFET則可以保證使所有的設計都得到改進。
另一些用戶確實看到了巨大的好處。在熱帶和亞熱帶,“更高”的熱量會增加空調的工作量,從而增加成本。比如數據中心目前消耗的電量占全球電力需求的1%以上,而每個百分比的能效提高都代表巨大的成本節省和減少環境影響。有時候,效率“更高”會達到“臨界點”,從該點開始,好處會成倍增加。以電動車為例,改進意味著功率轉換器更小更輕,從而會導致能量需求更小,單次充電行駛里程更長。
因此,工程師們對于提高幾個小數點的能效有著不懈的追求,他們常常要判斷冒險采用有望帶來一點改進卻不熟悉的新拓撲設計,能否在某些任意時間尺度上帶來總體擁有成本降低。在提高效率時,工程師們還要安慰自己,還有一種提高更困難,如果效率已經達到99.5%左右,則在測量功率輸入和輸出時,一個已經很好的±0.1%誤差就可能意味著計算得到的損耗會比實際損耗多或少40%。如果輸入功率為交流電,有失真,且功率因數不夠完美,同時直流功率輸出具有殘余噪聲分量,可讓數字式電壓表出錯,則情況還會變得更差。現在普遍借助測熱法來測量實際熱放出,而不是根據電子器件測量值進行推測。
圖1.即使±0.1%的測試設備準確率誤差也會讓高效率下的效率測量準確性產生很大的變化
一個可提高功率轉換器效率且風險相對較低的選擇是僅改進現有設計中的半導體。基于MOSFET的轉換器可以升級為使用導通電阻較低的較新器件,也許新器件對開關能量的要求也較低,并適當考慮電磁發射的變化。然而,要利用SiCMOSFET或GaNHEMT單元等最新的寬帶隙器件,就必須對電路進行較大的更改,尤其是對柵極驅動。如果現有電路是基于IGBT的,則您要完全從頭設計才能利用寬帶隙器件。
柵極驅動與電壓等級有關,為了實現全面增強,SiCMOSFET需要開態驅動,它會顯著高于Si-MOSFET的驅動,并有接近器件絕對最大額定值的危險,必須謹慎地進行限制。開態和關態之間的高壓擺也需要一定的驅動功率,因為在每個周期內柵極電容都會充電和放電。另外,閾值電壓是可變的并有遲滯現象,從而使得最佳柵極驅動難以實現。某種方面來說,GaNHEMT單元完全相反,它的柵極閾值電壓和絕對最大值非常低,因而也必須謹慎控制驅動電路,避免過應力和故障。
如果功率轉換器電路需要反向導電或第三象限導電,則SiCMOSFET中體二極管的特征十分重要,可能會由于顯著的恢復能量和前向壓降而導致過多損耗。GaN器件沒有體二極管,并通過溝道反向導電,但是在通過柵極驅動有效增強溝道前,在死區時間內會有高壓降。如果柵極電壓在關態時為負,則“整流”期間的壓降會更高。
想要面面俱到就要考慮使用SiCFET,它是Si-MOSFET和SiCJFET的共源共柵結合的產物。該器件有Si-MOSFET的簡單非臨界柵極驅動,但是性能表征RDS(on)xA和RDS(on)xEOSS比SiCMOSFET和GaNHEMT單元好。它有固有且穩健的雪崩能力和自限制短路電流,且體二極管效應類似于具有前向壓降并能快速恢復的低壓Si-MOSFET。這就意味著,SiCFET通常能直接插入Si-MOSFET插槽甚至IGBT插槽,從而提高效率。無法控制SiCFET的速度,以便像其他技術一樣,通過調節柵極驅動電阻限制電磁干擾和應力,但對這些超快的器件,與器件簡單并聯運行的小型緩沖電路可以有效地限制過沖和振鈴。在更換IGBT后,開關頻率得到了提高,并且沒有不適當地造成動態損耗,因此,在小型、輕便、廉價的磁性元件中帶來的好處。
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