在電源市場的幾乎所有細分市場中，顛覆性的最終產品技術繼續朝著提高能效、更高功率密度和更低成本的共同目標前進。許多市場需要用于 DC/DC 轉換器電源管理的高效系統，特別是汽車行業，因為它正在向電動汽車和醫療行業過渡，隨著需要高效電池管理的越來越小的設備的出現。《電力電子新聞》采訪了總部位于奧地利格蒙登的 RECOM 集團的技術總監 Steve Roberts，了解他對電力行業如何滿足不斷變化的市場需求的看法。羅伯茨出生于英國，擁有學士學位。倫敦布魯內爾大學物理學和電子學學士，倫敦大學學院碩士學位。

您能描述一下電力市場的最新動態嗎？Recom 在最終客戶電源應用中的參與程度如何？

Recom 不僅制造和銷售標準產品，還進行定制。大多數修改相對較小；更改如非標準輸出電壓或添加電線而不是引腳連接，但更多涉及其他客戶要求；從更改規格以完全滿足應用程序的操作要求到僅針對一個客戶的完全定制設計。

圖 1：史蒂夫·羅伯茨

我們看到越來越多的此類對定制電源解決方案的要求。原因有很多，但主要是通過在內部加入額外的保護或濾波來降低總體成本，通過擴展輸入電壓范圍使解決方案更加通用，或者通過修改轉換器來提高效率，從而提高效率。在應用程序的典型負載下達到峰值。我們還看到更多對非標準形狀的要求。這是因為電源通常是設計的客戶應用的最后一部分，它必須適合任何剩余的可用空間。

另一個總體趨勢是獲得認證的電源產品。隨著監管限制變得越來越嚴格，客戶獲得他們自己設計和制造的電源的批準變得越來越困難。獲得測試和認證解決方案所需的時間經常超過設計電源本身所需的時間并且成本呈爆炸式增長；醫療級認證可以輕松超過 7 萬美元。從長遠來看，安裝經過預先測試、預先認證的模塊會更簡單、更容易且通常更便宜。

您如何看待用于高/功率應用的 IGBT 柵極驅動器技術的未來創新？

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）將逐漸被性能更好的替代技術如 SiC 和 GaN 所取代。其原因是隔離柵雙極晶體管的操作存在根本性缺陷。顧名思義，IGBT 將雙極晶體管的高電壓/高電流開關能力與 FET 的電壓驅動柵極驅動相結合。由于柵極是隔離的，即使 IGBT 開關數百伏特和安培，也可以使用 +15/-9V 的柵極驅動器電壓輕松打開和關閉 IGBT。

缺點是隔離柵極意味著柵極驅動器和晶體管基板之間沒有直接連接。即使柵極被用力拉斷，柵極隔離電容上的任何殘余電荷也會使 IGBT 保持導通。這種拖尾期間會浪費大量功率，在晶體管內產生過多熱量并限制最大開關頻率——所有這些都限制了其性能。

碳化硅 (SiC) 晶體管使用由人造藍寶石制成的襯底，而不是純硅。由于 SiC 的介電強度要高得多，因此可以將襯底層做得更薄，而沒有閃絡的風險。較小的尺寸顯著降低了內部電容，并允許更快的切換。導熱性也更高，這允許在更小的芯片尺寸中實現更高的功率切換。該操作類似于 FET，因此沒有拖尾效應。主要區別在于最佳柵極驅動器電壓為 +20/-5V 或 +15/-3V，具體取決于 SiC 設計的代數。目前，碳化硅晶體管更昂貴，不能輕易切換非常高的電壓，所以仍然經常使用 IGBT，但電壓范圍隨著成本的下降而迅速增加。

氮化鎵 (GaN) 提供理想的開關特性。GaN 晶體管使用與 IGBT 或 FET 完全不同的開關技術。傳導是通過 GaN 晶體襯底中的所謂電子氣進行的，該電子氣可以通過施加外部柵極電壓來中斷。它們是一種新型的高電子遷移率晶體管 (HEMT)。開關速度僅受內部寄生元件的限制。如果 IGBT 可以在高達 500kHz 的頻率下開關，SiC 可以在幾 MHz 下開關，那么 GaN 可以在 100MHz 下開關。柵極驅動器電壓通常為 +6V/0V。

GaN技術仍然昂貴，但成本正在迅速降低。Recom 今年將推出其首款基于 GaN 的產品，其尺寸將不到標準電源的一半。

不斷增長的能源市場對功率半導體的發展有什么影響？

能源規模的兩端都有發展。一方面，光伏板電壓從700V上升到1200KV甚至1500kV DC。另一方面，人們對能量收集微功率解決方案越來越感興趣。

光伏能源提供可靠且可再生的能源，幾乎沒有或沒有環境缺陷。為了提高效率，產生的電壓應盡可能高，以保持電力電纜中的 I2R 損失較低。

對用于監控和控制單元以及為功率逆變器提供低壓軌的寬范圍、高壓 DC/DC 轉換器的需求不斷增長。如果系統完全離網并且具有足夠的隔離耐受電壓來處理連續的輸入電壓范圍以及偶爾的雷擊浪涌，則這些 DC/DC 轉換器需要直接從太陽能電池板電源運行。Recom 正在開發一款即將發布的產品。

另一方面，能量收集解決方案通常必須使用毫瓦或更少的電源和非常低的電源電壓。為了制造有用的電源，來自光電、機械或熱能發電機的低電流電壓將被提升到更高的輸出電壓，為超級電容器或可充電電池充電。然后可以調節該中間能量存儲器以提供 3.3V 電壓來為無線電、微處理器或傳感器系統供電。Recom 還致力于開發一種能量收集解決方案，其中 MPPT 輸入控制、DC-DC 升壓、鋰離子充電電路和高效的 LDO 輸出集成到一個易于使用的模塊中。

圖 2：RECOM Power RxxP2xx/R 系列 DC/DC 轉換器。這些轉換器通過了 IEC/EN/UL/CSA-60950 認證，是安全應用的理想選擇；此外，它們還通過了 EN61010-1 實驗室設備認證。

您認為未來哪些挑戰會影響醫療和鐵路應用的 DC-DC 設計，您計劃如何改進您的產品套件以應對這些挑戰？

病人監護設備正朝著兩個新方向發展；首先，多參數傳感器系統的趨勢，其中一臺設備用于測量許多生命體征，以便能夠更全面地了解患者的健康狀況，其次，患者出院的家庭治療趨勢早日入院并允許在家休養，從而減輕體驗壓力，同時節省成本。這兩種趨勢都需要新一代低成本、低功耗、緊湊型 DC/DC 轉換器，首先為多參數監測器的每個通道，其次，允許在家庭環境中對患者進行遠程感應，其中設備成本必須保持較低并內置額外的安全性，以免未經培訓的用戶誤用造成危險。

因此，Recom 開發了一系列新的低成本 1W、2W、3.5W、5W 和 6W DC/DC 轉換器。這些新的 REM 系列都經過加強隔離，可承受高達 250V AC 的永久故障電壓，以保護用戶免受主電源故障的影響。保護是雙向的，因此在多通道系統中，即使患者意外接觸到危險的電源電壓，他們也不會通過傳感器連接接地。

圖 3：RECOM RP12-AR 系列 1 × 1 英寸鐵路 DC/DC 轉換器專為鐵路機車車輛應用而設計，具有 36-160VDC 的超寬連續輸入電壓范圍；但它們也適用于非鐵路高壓電池應用。

對于鐵路應用，最新版的機車車輛電子設備 EN50155 規范規定標準電源電壓為 24/28/36/48/72/96 或 110V DC。客戶越來越要求通過單一電源解決方案處理所有這些電壓，換言之，輸入電壓范圍包括 16.8 – 154V DC 或 10:1 的瞬態范圍。

因此，Recom 最近發布了兩款具有 10:1 范圍的更高功率 (100W/200W) DC/DC 轉換器和兩款具有 12:1 輸入電壓范圍的中等功率 (40W/60W) 轉換器。我們還根據鐵路標準 EN 50121-1-2、RIA12 標準輸入電壓鉗位、反極性保護和外部保持電容器的連接開發了兩個具有全 EMC 濾波的評估板，以滿足電源中斷的要求。

審核編輯 黃昊宇