【技術講座】利用SiC和GaN大幅削減電力轉(zhuǎn)換裝置的體積
[導讀]最近，采用可大幅削減電力損耗的新一代功率元件的試制示例接連出現(xiàn)?！度战?jīng)電子》此次邀請了安川電機，針對采用SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器以及采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器，介紹有關技術和取得的效果。（《日經(jīng)電子》
最近，采用可大幅削減電力損耗的新一代功率元件的試制示例接連出現(xiàn)?！度战?jīng)電子》此次邀請了安川電機，針對采用SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器以及采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器，介紹有關技術和取得的效果。（《日經(jīng)電子》）
我們開發(fā)出了新的電力轉(zhuǎn)換裝置，采用了導入SiC和GaN等新一代功率半導體材料制作的元件（以下簡稱功率元件，圖1）。
圖1：采用SiC和GaN縮小電力轉(zhuǎn)換裝置的尺寸
安川電機開發(fā)出了采用SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器，以及采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器。與采用Si功率元件的原產(chǎn)品相比，均可實現(xiàn)小型化。
首先，我們試制了采用SiC功率元件的45kW輸出電力轉(zhuǎn)換裝置（AC-AC轉(zhuǎn)換器）。與安川電機以往的技術相比，其最大特點是體積縮小至約1/25。該電力轉(zhuǎn)換裝置定位為“旗艦產(chǎn)品”，從功率元件到控制技術的性能水準都是最高的。用汽車來比喻的話，相當于跑車。今后打算把此次開發(fā)中積累的技術用于其他用途，開發(fā)配備SiC功率元件的產(chǎn)品。
采用GaN功率元件的是用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的家用功率調(diào)節(jié)器。在輸出功率為4.5kW的家用功率調(diào)節(jié)器的逆變器電路等中采用了該元件。與采用Si IGBT的現(xiàn)有產(chǎn)品相比，電力損耗降低了約一半（2kW輸出時），體積削減40％，重量減輕約27％。本文主要介紹這兩種電力轉(zhuǎn)換裝置的開發(fā)情況。
60％以上的體積空閑
現(xiàn)在的逆變器和功率調(diào)節(jié)器等電力轉(zhuǎn)換裝置還有小型化的空間。例如，我們的45kW輸出AC-AC轉(zhuǎn)換器以交流輸入后，用二極管整流，進行AC-DC轉(zhuǎn)換后，通過逆變器電路進行DC-AC轉(zhuǎn)換，然后驅(qū)動三相交流馬達。
AC-AC轉(zhuǎn)換器的構成比例如果按體積換算，閑置空間占66％，達到一半以上（圖2）。冷卻器占19％，電子部件、基板和母線布線等部材所占的比例僅15％。
圖2：電力轉(zhuǎn)換器的體積有一半以上為閑置空間
本圖按體積換算了電力轉(zhuǎn)換器的構成比。AC-AC轉(zhuǎn)換器和功率調(diào)節(jié)器的閑置空間均達到60％以上。
家用功率調(diào)節(jié)器利用升壓電路對太陽能電池模塊的發(fā)電電力進行升壓，然后通過逆變器電路、正弦波濾波器面向家庭用途輸出100V，或面向系統(tǒng)連接用途輸出200V的電力。我們的家用功率調(diào)節(jié)器也與AC-AC轉(zhuǎn)換器一樣，從體積比來看，閑置空間占65％，達到一半以上。而冷卻器只占16％，部件等只占19％。
如上所述，閑置空間在總體積中所占的比例很高。原因主要有兩個，一是，嵌入電力轉(zhuǎn)換裝置主電路的電解電容器、正弦波濾波器及電抗器等被動元件體積較大，而且每種部件的形狀各異，因此部件與部件之間，以及部件與基板之間出現(xiàn)了剩余空間。另一個原因在于作為冷卻器常用的散熱片。散熱片上配備的部件受限于功率元件和電抗器等，因此容易出現(xiàn)閑置空間。散熱片越大，越容易產(chǎn)生閑置空間。
通過高頻動作實現(xiàn)小型化
要想縮減閑置空間實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置的小型化，首先需要縮小嵌入主電路的電容器和電抗器等外形尺寸較大的部件。如果以更高的頻率開關電力轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部的功率元件，就能縮小電感器和電容器的體積。例如，在升壓電路中，開關頻率越高，越能降低電感（L值），因此可應用小型電抗器。電容器一直存儲能源，如果提高升壓電路的開關頻率，就能相應減小電容器的容量，從而縮小體積。
電力轉(zhuǎn)換裝置的高頻動作需要支持“高速開關”的功率元件。逆變器電路通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，高頻驅(qū)動時，如果不能輸出窄脈沖，輸出電壓的失真就會增大。為了輸出窄脈沖，必須進行高速開關。適合這種高速開關動作和高溫動作并能降低損耗的，就是采用材料特性出色的SiC和GaN的功率元件（表1）。
不過，雖然采用了新一代材料，但如果驅(qū)動功率元件的柵極電路規(guī)模增大，仍難以用于高速開關。因為柵極電路規(guī)模增大的話，布線的阻抗成分也會增大。隨著阻抗成分的增大，出現(xiàn)柵極誤動作的可能性就會升高，比如柵極-源極間的電壓會振蕩，導致無法實現(xiàn)穩(wěn)定動作。新一代功率元件可用小規(guī)模的柵極電路驅(qū)動，因此能解決這個問題。
降低導通損耗和開關損耗
要想縮減電力轉(zhuǎn)換裝置的閑置空間，除了縮小被動元件的尺寸外，還可以縮小散熱片。縮小散熱片有兩種方法。第一是，降低散熱片上安裝的功率元件和電抗器的損耗，降低發(fā)熱量的方法。
功率元件的損耗可分為導通損耗和開關損耗兩種。其中，提高電力轉(zhuǎn)換裝置開關頻率的話，開關損耗會增大。因此，為抑制高頻化造成的損耗增加，就要利用SiC和GaN功率元件。這是因為，使用SiC和GaN的話，1kV以上的高耐壓功率元件也可采用單極元件。如果是Si，在要求600V以上耐壓的用途利用雙極元件IGBT。單極元件一般比雙極元件開關損耗小。
Si單極元件中，低損耗“超結(jié)構造”MOSFET的導通損耗也比較小。不過，柵極電荷量還很大，柵極電路的開關損耗比SiC和GaN功率元件要大。
電抗器的損耗方面，可通過上述開關頻率的高頻化削減線圈的圈數(shù)，由此能降低銅損。
可高溫工作從而縮小散熱片
縮小散熱片尺寸的另一個方法是使功率元件高溫工作。如果能以高接合溫度驅(qū)動，就無需過于冷卻功率元件，因此利用小散熱片即可。
高溫工作方面，雖然SiC和GaN功率元件本身一般能在200℃以上的高溫下工作，但周邊部材無法應對200℃以上的高溫。例如，封裝功率模塊的硅凝膠等絕緣材料雖然也有號稱高耐熱的產(chǎn)品，但在熱循環(huán)等耐久性方面還沒發(fā)現(xiàn)能滿足我們標準的材料。（特約撰稿人：樋口 雅人，安川電機技術開發(fā)本部開發(fā)研究所 能源轉(zhuǎn)換技術部功率電子小組）
作者簡介： 樋口 雅人
畢業(yè)于九州工業(yè)大學電氣工學科，曾在汽車企業(yè)和半導體企業(yè)任職，1998年3月進入安川電機。在逆變器事務所從事硬件的開發(fā)設計。之后任現(xiàn)職。在開發(fā)研究所從事電力轉(zhuǎn)換裝置的技術研發(fā)，負責采用新一代功率元件的馬達驅(qū)動技術的開發(fā)。
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我們開發(fā)出了新的電力轉(zhuǎn)換裝置，采用了導入SiC和GaN等新一代功率半導體材料制作的元件（以下簡稱功率元件，圖1）。
圖1：采用SiC和GaN縮小電力轉(zhuǎn)換裝置的尺寸
安川電機開發(fā)出了采用SiC功率元件的AC-AC轉(zhuǎn)換器，以及采用GaN功率元件的功率調(diào)節(jié)器。與采用Si功率元件的原產(chǎn)品相比，均可實現(xiàn)小型化。
首先，我們試制了采用SiC功率元件的45kW輸出電力轉(zhuǎn)換裝置（AC-AC轉(zhuǎn)換器）。與安川電機以往的技術相比，其最大特點是體積縮小至約1/25。該電力轉(zhuǎn)換裝置定位為“旗艦產(chǎn)品”，從功率元件到控制技術的性能水準都是最高的。用汽車來比喻的話，相當于跑車。今后打算把此次開發(fā)中積累的技術用于其他用途，開發(fā)配備SiC功率元件的產(chǎn)品。
采用GaN功率元件的是用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的家用功率調(diào)節(jié)器。在輸出功率為4.5kW的家用功率調(diào)節(jié)器的逆變器電路等中采用了該元件。與采用Si IGBT的現(xiàn)有產(chǎn)品相比，電力損耗降低了約一半（2kW輸出時），體積削減40％，重量減輕約27％。本文主要介紹這兩種電力轉(zhuǎn)換裝置的開發(fā)情況。
60％以上的體積空閑
現(xiàn)在的逆變器和功率調(diào)節(jié)器等電力轉(zhuǎn)換裝置還有小型化的空間。例如，我們的45kW輸出AC-AC轉(zhuǎn)換器以交流輸入后，用二極管整流，進行AC-DC轉(zhuǎn)換后，通過逆變器電路進行DC-AC轉(zhuǎn)換，然后驅(qū)動三相交流馬達。
AC-AC轉(zhuǎn)換器的構成比例如果按體積換算，閑置空間占66％，達到一半以上（圖2）。冷卻器占19％，電子部件、基板和母線布線等部材所占的比例僅15％。
圖2：電力轉(zhuǎn)換器的體積有一半以上為閑置空間
本圖按體積換算了電力轉(zhuǎn)換器的構成比。AC-AC轉(zhuǎn)換器和功率調(diào)節(jié)器的閑置空間均達到60％以上。
家用功率調(diào)節(jié)器利用升壓電路對太陽能電池模塊的發(fā)電電力進行升壓，然后通過逆變器電路、正弦波濾波器面向家庭用途輸出100V，或面向系統(tǒng)連接用途輸出200V的電力。我們的家用功率調(diào)節(jié)器也與AC-AC轉(zhuǎn)換器一樣，從體積比來看，閑置空間占65％，達到一半以上。而冷卻器只占16％，部件等只占19％。
如上所述，閑置空間在總體積中所占的比例很高。原因主要有兩個，一是，嵌入電力轉(zhuǎn)換裝置主電路的電解電容器、正弦波濾波器及電抗器等被動元件體積較大，而且每種部件的形狀各異，因此部件與部件之間，以及部件與基板之間出現(xiàn)了剩余空間。另一個原因在于作為冷卻器常用的散熱片。散熱片上配備的部件受限于功率元件和電抗器等，因此容易出現(xiàn)閑置空間。散熱片越大，越容易產(chǎn)生閑置空間。
通過高頻動作實現(xiàn)小型化
要想縮減閑置空間實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置的小型化，首先需要縮小嵌入主電路的電容器和電抗器等外形尺寸較大的部件。如果以更高的頻率開關電力轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部的功率元件，就能縮小電感器和電容器的體積。例如，在升壓電路中，開關頻率越高，越能降低電感（L值），因此可應用小型電抗器。電容器一直存儲能源，如果提高升壓電路的開關頻率，就能相應減小電容器的容量，從而縮小體積。
電力轉(zhuǎn)換裝置的高頻動作需要支持“高速開關”的功率元件。逆變器電路通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，高頻驅(qū)動時，如果不能輸出窄脈沖，輸出電壓的失真就會增大。為了輸出窄脈沖，必須進行高速開關。適合這種高速開關動作和高溫動作并能降低損耗的，就是采用材料特性出色的SiC和GaN的功率元件（表1）。
不過，雖然采用了新一代材料，但如果驅(qū)動功率元件的柵極電路規(guī)模增大，仍難以用于高速開關。因為柵極電路規(guī)模增大的話，布線的阻抗成分也會增大。隨著阻抗成分的增大，出現(xiàn)柵極誤動作的可能性就會升高，比如柵極-源極間的電壓會振蕩，導致無法實現(xiàn)穩(wěn)定動作。新一代功率元件可用小規(guī)模的柵極電路驅(qū)動，因此能解決這個問題。
降低導通損耗和開關損耗
要想縮減電力轉(zhuǎn)換裝置的閑置空間，除了縮小被動元件的尺寸外，還可以縮小散熱片。縮小散熱片有兩種方法。第一是，降低散熱片上安裝的功率元件和電抗器的損耗，降低發(fā)熱量的方法。
功率元件的損耗可分為導通損耗和開關損耗兩種。其中，提高電力轉(zhuǎn)換裝置開關頻率的話，開關損耗會增大。因此，為抑制高頻化造成的損耗增加，就要利用SiC和GaN功率元件。這是因為，使用SiC和GaN的話，1kV以上的高耐壓功率元件也可采用單極元件。如果是Si，在要求600V以上耐壓的用途利用雙極元件IGBT。單極元件一般比雙極元件開關損耗小。
Si單極元件中，低損耗“超結(jié)構造”MOSFET的導通損耗也比較小。不過，柵極電荷量還很大，柵極電路的開關損耗比SiC和GaN功率元件要大。
電抗器的損耗方面，可通過上述開關頻率的高頻化削減線圈的圈數(shù)，由此能降低銅損。
可高溫工作從而縮小散熱片
縮小散熱片尺寸的另一個方法是使功率元件高溫工作。如果能以高接合溫度驅(qū)動，就無需過于冷卻功率元件，因此利用小散熱片即可。
高溫工作方面，雖然SiC和GaN功率元件本身一般能在200℃以上的高溫下工作，但周邊部材無法應對200℃以上的高溫。例如，封裝功率模塊的硅凝膠等絕緣材料雖然也有號稱高耐熱的產(chǎn)品，但在熱循環(huán)等耐久性方面還沒發(fā)現(xiàn)能滿足我們標準的材料。（特約撰稿人：樋口 雅人，安川電機技術開發(fā)本部開發(fā)研究所 能源轉(zhuǎn)換技術部功率電子小組）
作者簡介： 樋口 雅人
畢業(yè)于九州工業(yè)大學電氣工學科，曾在汽車企業(yè)和半導體企業(yè)任職，1998年3月進入安川電機。在逆變器事務所從事硬件的開發(fā)設計。之后任現(xiàn)職。在開發(fā)研究所從事電力轉(zhuǎn)換裝置的技術研發(fā)，負責采用新一代功率元件的馬達驅(qū)動技術的開發(fā)。
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