在全球積極邁向無碳社會(huì)以及能源短缺問題日益嚴(yán)峻的大背景下，可再生能源承載著世界各國的深切期望，成為推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵力量。為了更高效地利用這些寶貴的能源資源，提升能源利用效率、改進(jìn)逆變器技術(shù)迫在眉睫，這已成為當(dāng)下能源領(lǐng)域的核心任務(wù)。而在這一過程中，功率元器件和模擬 IC 發(fā)揮著舉足輕重的作用，它們?nèi)缤軆x器中的核心齒輪，在很大程度上決定了逆變器的節(jié)能性能與效率。通過精準(zhǔn)匹配應(yīng)用場景，合理選用功率元器件和模擬 IC，能夠顯著提升逆變器的功率轉(zhuǎn)換效率，大幅降低工業(yè)設(shè)備的功耗，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)提供堅(jiān)實(shí)保障。接下來，本文將深入剖析在新型逆變器中廣泛應(yīng)用的先進(jìn)功率元器件和模擬 IC 的獨(dú)特特性及顯著優(yōu)勢。

逆變器：工業(yè)節(jié)能的核心樞紐

逆變器，作為電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，肩負(fù)著將直流電(DC)轉(zhuǎn)換為交流電(AC)并精準(zhǔn)、高效地提供所需電力的重任。其工作原理基于一系列復(fù)雜而精妙的電路設(shè)計(jì)和電力電子技術(shù)，通過對(duì)電流和電壓的精確控制，實(shí)現(xiàn)電能形式的轉(zhuǎn)變。在實(shí)際應(yīng)用中，高效的逆變器猶如為設(shè)施和設(shè)備注入了強(qiáng)大動(dòng)力，能夠顯著提升其整體性能，同時(shí)大幅降低能耗。以常見的工業(yè)場景為例，在工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，高效逆變器可確保電機(jī)平穩(wěn)、高效運(yùn)行，減少能源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率;在智能建筑的通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)里，它能根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)調(diào)整電力輸出，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，降低系統(tǒng)能耗。

在大眾認(rèn)知中，逆變器常與工業(yè)自動(dòng)化(FA)應(yīng)用緊密相連，例如用于精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保電泵、風(fēng)門、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)以及空調(diào)等設(shè)備穩(wěn)定、高效運(yùn)行。然而，逆變器的功能遠(yuǎn)不止于此，其在電能轉(zhuǎn)換方面的卓越能力，使其成為工業(yè)設(shè)備邁向節(jié)能之路的核心技術(shù)。特別是在當(dāng)今全球大力倡導(dǎo)無碳社會(huì)和碳中和的時(shí)代背景下，太陽能發(fā)電設(shè)施中廣泛應(yīng)用的光伏逆變器市場以及蓬勃發(fā)展的充電樁市場，對(duì)逆變器的能量轉(zhuǎn)換效率提出了更為嚴(yán)苛的要求。高轉(zhuǎn)換效率的逆變器不僅能夠提高太陽能發(fā)電的利用率，減少能源損耗，還能加快充電樁的充電速度，提升用戶體驗(yàn)，因此市場需求呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢。

功率元器件：逆變器節(jié)能的關(guān)鍵引擎

在逆變器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的復(fù)雜過程中，約 90% 的功率損耗源于功率元器件。這一數(shù)據(jù)清晰地表明，功率元器件的性能優(yōu)劣如同基石，直接決定了逆變器性能的高低。在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，技術(shù)革新的浪潮正以前所未有的速度席卷而來。曾經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位的 Si 功率元器件，正逐漸被性能更為卓越的 SiC 功率元器件和 GaN 功率器件所取代，這一趨勢在逆變器領(lǐng)域尤為顯著。

面對(duì)市場上琳瑯滿目的功率元器件，如何為逆變器挑選最為合適的產(chǎn)品成為關(guān)鍵問題。值得注意的是，簡單地將傳統(tǒng)元器件更換為新型的 SiC 或 GaN 器件，并不能一勞永逸地解決所有問題。不同的設(shè)施規(guī)模、多樣化的需求，決定了必須因地制宜地制定解決方案。只有精準(zhǔn)把握設(shè)施需求和實(shí)際用途，選擇與之匹配的功率元器件解決方案，才能打造出性價(jià)比超高、能量轉(zhuǎn)換效率卓越的逆變器，真正實(shí)現(xiàn)通過逆變器達(dá)成節(jié)能目標(biāo)。以羅姆的功率元器件產(chǎn)品群為例，其豐富的產(chǎn)品線和卓越的性能為用戶提供了多樣化的選擇。

1. 追求極致轉(zhuǎn)換效率

當(dāng)用戶首要目標(biāo)是提高轉(zhuǎn)換效率、增加發(fā)電量時(shí)，SiC MOSFET 和 SiC SBD 等 SiC 器件無疑是最佳選擇。SiC 器件憑借其與生俱來的優(yōu)異特性，如高耐壓能力、低導(dǎo)通電阻以及快速的開關(guān)速度，在提升轉(zhuǎn)換效率方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用中，以家用光伏逆變器為例，當(dāng)用 SiC 器件替代傳統(tǒng) Si 器件時(shí)，在平均照度條件下，發(fā)電量可提高約 3.4%。具體而言，在 1kW - 2kW 的發(fā)電功率區(qū)間，發(fā)電能力預(yù)計(jì)可提升約 45W，全年累計(jì)可多發(fā)電約 210kWh;若發(fā)電功率提升至 5kW，發(fā)電能力預(yù)計(jì)可改善約 130W，全年多發(fā)電約 570kWh。此外，隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)電力需求的不斷增長，支持高電壓和大電流的逆變器需求也與日俱增，SiC 器件在這一領(lǐng)域同樣展現(xiàn)出強(qiáng)大的適應(yīng)性和優(yōu)勢。

2. 平衡效率與成本

對(duì)于那些既渴望提高轉(zhuǎn)換效率，又對(duì)成本控制有著嚴(yán)格要求的用戶，Hybrid - IGBT 成為理想之選。Hybrid - IGBT 創(chuàng)新性地在傳統(tǒng) IGBT 的反饋單元(續(xù)流二極管)中采用了羅姆低損耗的 SiC SBD，這種巧妙的設(shè)計(jì)使其成為一種 Hybrid 型 IGBT。與傳統(tǒng) IGBT 相比，Hybrid - IGBT 在導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)損耗大幅降低。該系列產(chǎn)品廣泛適用于處理大功率的工業(yè)設(shè)備和汽車電子設(shè)備，如電動(dòng)汽車(xEV)中的車載充電器和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，以及太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的光伏逆變器等。其獨(dú)特優(yōu)勢在于，功率損耗低于傳統(tǒng) Si 器件，同時(shí)成本效益優(yōu)于 SiC 器件，為用戶在提高效率的同時(shí)有效控制成本提供了切實(shí)可行的解決方案。

3. 助力設(shè)備小型化與輕量化

在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中，對(duì)設(shè)備的要求日益嚴(yán)苛，不僅期望其具備出色的節(jié)能性能，還追求更小的體積和更輕的重量。特別是在太陽能發(fā)電設(shè)施領(lǐng)域，分布式系統(tǒng)的廣泛普及使得減輕設(shè)備重量、降低安裝成本成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢，這也促使相關(guān)產(chǎn)品不斷向小型化方向邁進(jìn)。針對(duì)這一需求，GaN 器件憑借其出色的開關(guān)特性和高頻特性，逐漸嶄露頭角，成為微型逆變器的理想選擇。在現(xiàn)有的集中式光伏逆變器中，GaN 器件作為替代品也已開始逐步普及。其導(dǎo)通電阻低于 Si 器件，在實(shí)現(xiàn)更低功耗和設(shè)備小型化方面潛力巨大。以太陽能發(fā)電設(shè)施所用的光伏逆變器為例，在其 MPPT(Maximum Power Point Tracking)和蓄電單元采用 GaN 器件后，與采用 SiC 器件相比，能夠進(jìn)一步降低構(gòu)成電路的線圈部件的電感值(L)。這一優(yōu)勢使得在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以減少繞線匝數(shù)，或者選用尺寸更細(xì)的芯材，從而顯著縮小線圈體積。同時(shí)，GaN 器件的應(yīng)用還可減少電解電容器的數(shù)量，與傳統(tǒng) Si 器件(IGBT)相比，所需安裝面積更小。羅姆將有助于應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能和小型化的 GaN 器件命名為 “EcoGaN?系列”，并持續(xù)投入研發(fā)力量，致力于進(jìn)一步提升器件性能。此外，利用 SiC MOSFET 在高溫環(huán)境下優(yōu)異的工作特性優(yōu)勢，也是實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化和輕量化的有效途徑。由于 SiC MOSFET 容許損耗低、發(fā)熱量少，通過合理搭配合適的外圍元器件，可以減小散熱器件的數(shù)量和尺寸，從而有效減輕逆變器的重量。

模擬 IC：逆變器性能的幕后推手

與功率元器件同樣重要的是，電源 IC 和柵極驅(qū)動(dòng)器等模擬 IC 對(duì)逆變器性能的影響不容小覷。電源 IC，作為電氣設(shè)備的 “心臟”，承擔(dān)著控制設(shè)備運(yùn)行所需電壓的關(guān)鍵職責(zé)。它能夠?qū)⑤斎腚妷壕珳?zhǔn)轉(zhuǎn)換為設(shè)備各部分所需的合適電壓，并確保穩(wěn)定供電，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。柵極驅(qū)動(dòng)器則專注于控制 MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)，通過精確控制柵極電壓，實(shí)現(xiàn)器件的 ON/OFF 開關(guān)動(dòng)作。由于在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生大量功率損耗，因此柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于提高逆變器的節(jié)能性能至關(guān)重要。其應(yīng)用范圍廣泛，不僅適用于使用大電流的工業(yè)設(shè)備，還在要求高耐壓的應(yīng)用場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

1. 電源 IC

在逆變器用電源 IC 的選擇上，內(nèi)置 SiC MOSFET 的電源 IC 具有顯著優(yōu)勢。這類產(chǎn)品將 SiC MOSFET 巧妙集成于電源 IC 內(nèi)部，使得應(yīng)用產(chǎn)品無需再單獨(dú)進(jìn)行 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅大大減少了元器件數(shù)量，簡化了電路結(jié)構(gòu)，還能夠借助內(nèi)置的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)安全可靠的柵極驅(qū)動(dòng)，有效提高了逆變器的整體性能和穩(wěn)定性。

2. 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC

盡管 SiC MOSFET 和 GaN 器件具備出色的性能，但它們的開關(guān)控制相對(duì)復(fù)雜，對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的性能提出了更高要求。羅姆憑借深厚的技術(shù)積累，擁有豐富的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 產(chǎn)品群，能夠更好地驅(qū)動(dòng)各類功率器件。例如，羅姆專門為 GaN 器件開發(fā)的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，能夠充分激發(fā) GaN 的高速開關(guān)性能，為應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能和小型化提供有力支持。

3. 分流電阻器

在電流檢測用途中，分流電阻器作為重要元件，對(duì)大功率應(yīng)用產(chǎn)品的小型化發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著應(yīng)用產(chǎn)品功率的不斷提升，對(duì)能夠處理大功率且阻值低的分流電阻器的需求持續(xù)增長。羅姆的分流電阻器產(chǎn)品具有優(yōu)異的散熱性能和出色的溫度特性，其產(chǎn)品陣容中包括支持高達(dá) 4W - 10W 級(jí)額定功率的低阻值分流電阻器 GMR 系列。使用該系列產(chǎn)品，即便在大功率工作條件下，也能實(shí)現(xiàn)高精度的電流檢測，為設(shè)備的安全運(yùn)行、節(jié)能以及小型化提供可靠保障。

總結(jié)

為提高能源利用率，逆變器技術(shù)正以前所未有的速度蓬勃發(fā)展，已成為包括工業(yè)應(yīng)用在內(nèi)的各種能源設(shè)備不可或缺的核心組成部分。通過巧妙運(yùn)用逆變器技術(shù)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行精準(zhǔn)供電優(yōu)化，能夠有效減少能源浪費(fèi)，顯著延長設(shè)施和設(shè)備的使用壽命。更為重要的是，通過選用契合應(yīng)用需求和目的的理想半導(dǎo)體解決方案，能夠進(jìn)一步挖掘逆變器的潛力，大幅提高其功率轉(zhuǎn)換效率。羅姆等半導(dǎo)體企業(yè)積極推動(dòng)先進(jìn)功率元器件和模擬 IC 在逆變器中的廣泛應(yīng)用，為促進(jìn)各種設(shè)備的節(jié)能事業(yè)貢獻(xiàn)力量，助力全球加速邁向可持續(xù)發(fā)展社會(huì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，相信在先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的加持下，工業(yè)用能源設(shè)備的節(jié)能之路將越走越寬廣，為實(shí)現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)注入強(qiáng)大動(dòng)力。