半導(dǎo)體器件的發(fā)明和應(yīng)用深刻地改變了近50年的人類(lèi)歷史發(fā)展進(jìn)程。進(jìn)入21世紀(jì)，半導(dǎo)體器件無(wú)處不在，已成為構(gòu)筑信息化社會(huì)的基石。同時(shí)，電力半導(dǎo)體在提高電力轉(zhuǎn)換效率方面的作用使之成為構(gòu)筑低碳社會(huì)的基石。半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)能效果是顯而易見(jiàn)的。世界首臺(tái)采用電子管的電子計(jì)算機(jī)ENIAC重達(dá)30噸，耗電量高達(dá)200kW，而如今具有同樣功能的半導(dǎo)體計(jì)算設(shè)備重量?jī)H為幾克，耗電量不足1W。同時(shí)，電力半導(dǎo)體在太陽(yáng)能光伏和風(fēng)力發(fā)電裝置的電能轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、輸送過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用?？梢?jiàn)，可再生能源利用和能源轉(zhuǎn)換裝置效率的提高都離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

　　硅Si器件經(jīng)歷了多年的發(fā)展已經(jīng)改變了家用電器的面貌，直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為家用空調(diào)以及其他電機(jī)提高效率的主要技術(shù)措施。值得關(guān)注的是，碳化硅SiC、氮化鎵GaN和氧化鎵Ga2O3等新型器件的技術(shù)發(fā)展，除可通過(guò)減少器件能耗提高電力轉(zhuǎn)換效率之外，將在縮小外形尺寸、提高耐熱性能等方面促進(jìn)家用電器技術(shù)發(fā)展。

　　提高能源利用效率是一個(gè)含義廣泛的課題。就家用電器而言，狹義的提高效率主要是提高家用電器在運(yùn)行過(guò)程中的能源利用效率。目前，各國(guó)基本已對(duì)家用電器的能源利用效率展開(kāi)監(jiān)管，能效標(biāo)簽、能效等級(jí)制度是較為常見(jiàn)的監(jiān)管方式。而廣義的提高效率還需要考慮制造過(guò)程的能源消耗、原材料能耗、運(yùn)行過(guò)程中間接的能效影響。本文討論的效率問(wèn)題僅限于狹義范圍，且只針對(duì)利用技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)能源利用效率提高的措施，并將著重闡述電力半導(dǎo)體對(duì)提高家用電器能源利用效率的作用。

　　電力半導(dǎo)體的材料替代

　　家庭用電約占美國(guó)社會(huì)總用電量的1/3。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年，美國(guó)家庭數(shù)量將增長(zhǎng)11%，而得益于電力半導(dǎo)體技術(shù)，美國(guó)家庭用電量將僅增加6%。有調(diào)查報(bào)告指出：美國(guó)所有電力應(yīng)用中的6%~10%是電源從交流AC轉(zhuǎn)換為直流DC，由于現(xiàn)有電源效率欠佳，美國(guó)電力總消耗的3%~4%是在電源內(nèi)部消耗的;以改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、使用微電子控制器件以及場(chǎng)效應(yīng)管FET和二極管等電力半導(dǎo)體來(lái)提高電源效率，可以節(jié)省美國(guó)電力總消耗的1%~2%。這意味著電力半導(dǎo)體技術(shù)具有每年節(jié)省30億~60億美元的潛能。

　　如今，電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在應(yīng)用日益廣泛的高效率LED照明器具上，即使在空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電磁灶等大功率家電領(lǐng)域，電力半導(dǎo)體的應(yīng)用也已超出控制器驅(qū)動(dòng)電源的范圍。大功率電力半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)技術(shù)改變了產(chǎn)品原有的運(yùn)行方式和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，節(jié)能效果顯著。提高家用電器的電源轉(zhuǎn)換效率和降低待機(jī)能耗是目前普遍采用的節(jié)能措施。半導(dǎo)體制造企業(yè)、電力轉(zhuǎn)換部件制造企業(yè)以及家用電器整機(jī)制造企業(yè)正在努力使這些損耗變得更小。

　　電機(jī)是多數(shù)白色家電的主要耗電部件，雖然調(diào)速控制和變扭矩控制技術(shù)在提高電機(jī)效率方面的作用早已為人所知，并在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是在電力半導(dǎo)體出現(xiàn)前，這些技術(shù)難以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)相對(duì)不便的家用電器中。例如，具有調(diào)速功能的直流電機(jī)在配備半導(dǎo)體換向器之前，使用的是機(jī)械換向器，而機(jī)械換向器的壽命通常不足1000h，并使得驅(qū)動(dòng)電源體積龐大、價(jià)格高昂。20世紀(jì)70年代末，日本企業(yè)將電力半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)制冷壓縮機(jī)的調(diào)速控制，基本實(shí)現(xiàn)整機(jī)10萬(wàn)h免維修，同時(shí)令驅(qū)動(dòng)電源的外形尺寸大大縮小，可放置于空調(diào)內(nèi)部，且價(jià)格大幅降低。日本市場(chǎng)在不到10年的時(shí)間內(nèi)基本完成了從定轉(zhuǎn)速到變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)變。雖然變頻電源消耗了約10%的電能，但是利用變頻調(diào)速在運(yùn)行過(guò)程中的變速、變扭矩功能，可使住宅空調(diào)電力消耗平均降低約30%。同時(shí)，在冬季熱泵運(yùn)行模式下具備大幅度提高制熱量的能力，這也促進(jìn)了熱泵供熱技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

　　在變頻器和變壓器等裝置中起開(kāi)關(guān)作用的電力半導(dǎo)體，如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵極型雙極晶體管IGBT和二極管等的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是，從目前主流的Si半導(dǎo)體材料向SiC和GaN等化合物半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)變，在提高效率和減少體積方面取得重大進(jìn)步。

　　德國(guó)弗勞恩霍夫Fraunhofer應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所ISE目前已經(jīng)將太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置配套的逆變器效率提高到98.5%，新逆變器的功率損失比該機(jī)構(gòu)原有同類(lèi)逆變器下降了50%左右。該機(jī)構(gòu)在額定功率為5kW的單相逆變器上采用SiC器件替代Si器件，成為效率顯著提高的關(guān)鍵。這些SiC器件由美國(guó)科銳Cree公司生產(chǎn)，該公司在2010年已經(jīng)解決了直徑6英寸SiC底板的制造工藝問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，為SiC器件制造成本的大幅下降創(chuàng)造了條件。

　　新型半導(dǎo)體器件的較高效率提升主要是因?yàn)槠骷?nèi)部功耗較低。在相同的電路結(jié)構(gòu)下，將二極管從Si材料換成SiC材料，功耗可降低約30%;如果同時(shí)替換晶體管，功耗可降低約50%。功耗降低，發(fā)熱量也隨之下降，從而實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器件的節(jié)能化。

　　除功耗低外，GaN和SiC還具備適于小型化的特性。首先，以上述兩種材料制成的器件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)倍于Si元件的高速開(kāi)關(guān)，使得電感器等外圍電路部件的尺寸大幅下降，從而實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換裝置電路的小型化。其次，SiC和GaN元件還可在Si元件無(wú)法適應(yīng)的200℃以上的高溫環(huán)境下工作，在發(fā)熱量相同的情況下，能夠減小電力轉(zhuǎn)換器件冷卻裝置的外形尺寸。

　　隨著GaN和SiC電力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化步伐的加快，開(kāi)發(fā)充分利用其特性的新型外圍電路成為當(dāng)務(wù)之急，例如可實(shí)現(xiàn)高速工作的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、以高頻開(kāi)關(guān)為前提的電磁噪聲對(duì)策等。要使這些電力半導(dǎo)體在超過(guò)200℃的高溫環(huán)境下工作，除了采用耐熱性高且低價(jià)位的焊錫材料，在芯片安裝方面，還需采用耐高溫的封裝材料。這些外圍電路技術(shù)的進(jìn)步，是發(fā)揮GaN和SiC器件效力的關(guān)鍵。

　　碳化硅器件產(chǎn)業(yè)化

　　2010年10月，日本三菱電機(jī)公司宣布于2011冷凍年度開(kāi)始銷(xiāo)售采用SiC制造的肖特基勢(shì)壘二極管SBD作為直流調(diào)速壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的家用空調(diào)。這是世界上首件應(yīng)用SiC電力半導(dǎo)體的家用電器，標(biāo)志著家用電器行業(yè)以SiC為代表的新一代電力半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的開(kāi)始。

　　首批采用SiC器件的家用空調(diào)是三菱電機(jī)霧峰MoveEye系列產(chǎn)品，包括額定制冷量為2.8kW的MSZ-ZW281S以及額定制冷量為3.6kW的MSZ-ZW361S兩個(gè)型號(hào)。按照計(jì)劃，霧峰MoveEye系列將覆蓋額定制冷量2.2kW~7.1kW的范圍，其他型號(hào)產(chǎn)品將陸續(xù)以SiC器件替代Si器件。雖然目前SiC器件的價(jià)格仍然較高，但是三菱電機(jī)并未將成本變化反映在整機(jī)價(jià)格上，而是以讓利方式自行消化了增加的成本。

　　這批空調(diào)仍使用絕緣柵極型雙極晶體管IGBT，將Si二極管改為SiC-SBD，僅用于直流調(diào)速壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。從節(jié)能角度來(lái)說(shuō)，采用SiC-SBD，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的電能轉(zhuǎn)換損失可減少約60%，空調(diào)整機(jī)耗電量約減少2%。如果需要進(jìn)一步提高電能轉(zhuǎn)換效率及縮小驅(qū)動(dòng)電源外形尺寸，還需將其他電力半導(dǎo)體全部改為SiC器件，實(shí)現(xiàn)以SiCMOSFET取代IGBT。三菱電機(jī)此舉旨在促進(jìn)SiC市場(chǎng)加速發(fā)展，使SiC器件的價(jià)格盡快進(jìn)入合理區(qū)間，同時(shí)力爭(zhēng)在2013~2014年實(shí)現(xiàn)SiCMOSFET的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，從而在電力半導(dǎo)體市場(chǎng)取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。三菱電機(jī)計(jì)劃將IGBT全部替換為SiCMOSFET，SiC器件將不僅應(yīng)用于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，還將應(yīng)用在主控制板的電源部分。如果全部采用SiC器件，主控制板的電力電子模塊部分的外形尺寸將減為目前的50%左右。

　　三菱電機(jī)曾發(fā)布過(guò)一系列針對(duì)采用全SiC電力轉(zhuǎn)換器件的節(jié)能前景驗(yàn)證結(jié)果。利用SiC-SBD和SiCMOSFET試制的輸出功率為11kW的電機(jī)變頻器，與三菱電機(jī)采用Si器件制造的同類(lèi)整機(jī)相比，功耗約減少70%。同時(shí)，試制的SiC變頻器的體積小于Si變頻器，采用SiC器件的整機(jī)體積只有利用Si器件整機(jī)的1/4左右。此外，三菱電機(jī)試制的輸出功率為3.7kW的SiC電機(jī)變頻器的功耗比Si電機(jī)變頻器下降約54%。

　　驗(yàn)證結(jié)果顯示，輸出功率為20kW的SiC電機(jī)變頻器的節(jié)能效果更為顯著。額定輸出功率為20kW、開(kāi)關(guān)頻率為20kHz的SiC電機(jī)變頻器，與采用普通Si制成的IGBT同類(lèi)產(chǎn)品相比，功耗減少約90%。據(jù)介紹，這是通過(guò)縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)SiC器件開(kāi)關(guān)速度的提升，從而降低功耗。為了加快開(kāi)關(guān)速度，柵極驅(qū)動(dòng)電路需實(shí)現(xiàn)高速化，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，降低驅(qū)動(dòng)電路中的寄生電感，從而將開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短為50%左右。同時(shí)，提高開(kāi)關(guān)速度可能導(dǎo)致浪涌電壓增大，從而損壞SiC器件。為了避免這一問(wèn)題，新產(chǎn)品通過(guò)改進(jìn)SiC器件的配置和電路布線，減少了電路中的寄生電感以抑制浪涌電壓。與輸出功率為20kW的Si電機(jī)變頻器相比，SiC電機(jī)變頻器的寄生電感僅為前者的1/5~1/10。

　　2011年2月，三菱電機(jī)宣布成功開(kāi)發(fā)出晶體管和二極管均采用SiC的電力半導(dǎo)體器件——“全SiC”智能功率模塊IPM。除了采用SiC器件，IPM還將過(guò)電流保護(hù)電路與驅(qū)動(dòng)電路一起內(nèi)置在模塊中。一般情況下，在功率元件中很難做到既提高電流密度又降低損失，而由于采用SiC功率元件，IPM可以實(shí)現(xiàn)這種雙贏。與采用Si器件構(gòu)成的IGBT相比，新模塊的電流密度提高了約3倍，同時(shí)逆變器功耗降低約70%。此外，新模塊的體積約為原同類(lèi)模塊的一半。

　　日本電力中央研究所成功試制出采用SiC二極管、用于分布式電源系統(tǒng)連接的逆變器。該逆變器的額定輸出功率為3.3kW，輸出電壓為單相200V，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96.4%，是目前同類(lèi)電力電子轉(zhuǎn)換裝置中電能轉(zhuǎn)換效率最高的產(chǎn)品，主要用于家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)等的功率調(diào)節(jié)。該逆變器由調(diào)節(jié)直流電壓的斬波器和將直流轉(zhuǎn)換成交流的單相逆變器構(gòu)成，并通過(guò)降低斬波器電路上二極管的恢復(fù)電流，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。與原來(lái)采用Si二極管的最高性能產(chǎn)品相比，該逆變器的電力損失減少了15%;通過(guò)提高斬波器電路的開(kāi)關(guān)頻率，裝置體積縮小了15%。