技术改进
在某种度上，可通过调整工艺流程或材料的细微变化改进现有技术。功率半导体开关 IGBT 就得益于薄晶圆技术，因为这种技术能够降低开关损耗。更改元胞设计但原材料保持不变可优化正向电压。提高结温而不影响使用寿命能实现更高的功率密度，同时减少每千瓦装机使用的材料。图 2 的图表总结了功率半导体技术最近和当前的发展情况。
图 2：功率半导体三十年的发展
技术变革
图 2 还暗示了一个事实，即从某个时刻开始，需要技术变革以克服现有技术的不足。对于功率半导体，碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 等宽带隙材料是进一步提高效率且极具竞争力的不二之选。这些新材料有两种利用方案。
首先，IGBT从双极晶体管转向基于场效应的器件克服了 PN 结的困境。并联的 IGBT 还会导致整个 PN 结内出现正向电压，从而限制了效率方面的效益。基于场效应的器件具有沟道电阻，并联的 n 个器件会以 n-1 的系数改善整体电阻。效率就变成集成多少设备的问题，这直接关联到花费的成本。
第二种方案是结合硅 IGBT 与碳化硅肖特基势垒二极管的混合器件，如图 3 所示。碳化硅二极管可提高 IGBT 开通速度，从而减少开通损耗；没有恢复电荷，二极管就不会存在恢复损耗。
系统开发
现在，电力电子使用最广泛的拓扑结构包括以 2 电平半桥为基本构件的三相逆变器。根据具体应用，拓扑结构的变化可能导致效率方面的效益。近年来，太阳能逆变器的设计已从 2电平过渡到 3电平。这种变化的驱动力是使用 650V 半导体取代 1200V 组件以实现效率提高。此外，从本质上降低开关损耗也有利于提高效率。
通过在最大化效率的同时最大限度减少材料用量，英飞凌成功地与诺丁汉大学合作，将新技术结合到不同的拓扑结构中。合作结果是采用碳化硅 JFET 构建了矩阵转换器。这个四象转换器在满载条件下效率高达 97%，在部分负荷条件下甚至更高。
图 3：内置效率，带 SiC-JFET 的 20kVA 转换器，尺寸：12.2cm x 6.2cm x 11.7cm，重 1.7kg
这就足够好了吗？
过去几十年来，现代能量转换效率得到大幅度提升。然而，日益增长的能源需求和可再生能源的发电与储存急需这个领域进行进一步改进。越来越多的电力在从发电到消耗的过程中需要通过半导体，因此高效半导体是节约能源的一个有效方法。一旦有了明确的目标，工程师就需要努力实现更高的效率。低于“1”是永远不够的。 |
