关注“电子工程专辑”加小编微信
现已开放地区群，请发送消息【深圳】【上海】【北京】【成都】【西安】到公众号
近年来，电力电子技术取得了显著进步，逆变器在从电动汽车(EV)到可再生能源系统等各种应用中，在将直流电(DC)转换为交流电(AC)方面发挥着至关重要的作用。传统上，硅基功率器件，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，因其可靠性和成熟的制造生态系统而主导着逆变器设计。
然而，随着碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)功率器件的出现，行业正在经历变革。这些新型材料提供了更高的效率、更大的功率密度、更高的开关频率和更优的热性能。
如图1所示，Si IGBT、Si MOSFET、SiC和GaN半导体各自拥有不同的输出功率范围和工作频率区间，从而提供了更佳的性能。此外，它们还可以在某些领域共存。
本文探讨了基于硅功率器件的逆变器与采用宽禁带技术的逆变器之间的差异，并评估了它们的优缺点以及对不同应用的适用性。
图1：Si、SiC、GaN功率器件的主要特性及工作范围(来源：onsemi1)
什么是逆变器？
逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子电路。通过快速开关半导体器件，它产生一个阶跃波形来近似模拟大多数电网和电机所需的正弦交流波形。本质上，逆变器作为桥梁连接了直流电源(例如电池或太阳能电池板)与交流负载(例如电机或电网)。
现代逆变器设计用于最大限度地降低功率损耗、减少发热，并在不同负载条件下高效运行。它们通常集成了先进的控制算法以及电容器和电感器等无源元件，以确保稳定可靠的运行。
先进的逆变器采用脉冲宽度调制(PWM)等技术来改善输出质量，确保与敏感负载或电网标准兼容。所选的半导体材料——Si、SiC或GaN——直接影响逆变器的效率、尺寸及操作限制。
逆变器的应用
逆变器广泛应用于多个行业，每种应用都有特定的性能要求。在电动汽车行业中，牵引逆变器控制电池到电动机的功率流动，影响车辆的效率和续航里程。
在太阳能系统中，逆变器将光伏板产生的直流电转化为适合电网接入或本地消耗的交流电。工业电机驱动器依赖于逆变器实现变速控制，从而提高能源效率和运行灵活性。其他应用包括不间断电源(UPS)、航空航天电源系统以及电信行业的高频电源。
硅基逆变器：优缺点
几十年来，主要使用IGBT和MOSFET的硅基逆变器一直是行业标准。其优点包括高可靠性、成熟的制造工艺和成本效益。特别是IGBT，由于具有高载流能力和低传导损耗，非常适合高压应用(600V以上)。
然而，硅器件在开关速度和热管理方面存在局限性。IGBT较低的开关频率导致在需要快速开关的应用中(例如高速电机驱动器)能量损耗较高。此外，由于散热需求较大，硅基逆变器通常需要体积较大的冷却解决方案，增加了系统的尺寸和重量。
基于宽禁带的逆变器：优缺点
SiC和GaN功率器件为逆变器技术带来了显著改进。与硅IGBT相比，SiC MOSFET具有更低的导通损耗和开关损耗，从而提高了效率并降低了热管理要求。它们能够在更高的电压和温度下工作，使其成为电动汽车牵引逆变器和工业驱动器等大功率应用的理想选择。
另一方面，GaN器件在高频工作方面表现出色，尤其适用于消费电子产品、数据中心和电源等中低功率应用。目前，GaN主要用于DC/DC转换器和车载充电器，其较高的开关频率(伴随较高的dv/dt值)带来了显著的优势。
尽管如此，基于宽禁带的逆变器也面临着挑战。与硅器件相比，SiC和GaN器件的成本更高仍是其广泛应用的障碍之一。此外，设计包含宽禁带器件的电路需要具备高速开关特性和电磁干扰(EMI)抑制方面的专业知识。预计随着制造工艺的发展和规模经济效应，成本会逐渐下降，进一步推动宽禁带器件的普及。
哪种技术更好？
对于具体应用而言，选择硅基还是宽禁带逆变器取决于特定需求。对于电动汽车、工业电机驱动器和可再生能源系统等大功率、高效率应用，SiC基逆变器凭借其卓越的效率和热性能展现出明显优势。
牵引逆变器
英飞凌科技将硅与SiC技术融合于单一功率器件中，推出了专为电动汽车牵引逆变器设计的HybridPACK Drive G2 Fusion功率模块。该解决方案在性能和成本效益之间达到了最佳平衡，为逆变器优化提供了更大的灵活性。
在功率模块中，SiC相较于硅的一个关键区别在于其具有更高的导热率、击穿电压和开关速度，这使得它比硅基替代品更高效，但同时也更昂贵。通过使用这款新模块，可以降低每辆车的SiC含量，同时保持车辆性能和效率，并降低总体系统成本(图2)。
图2：融合技术牵引逆变器的四种示例配置可提高推进和能量回收的效率，同时最大限度地提高峰值性能(来源：英飞凌科技2)
当特斯拉汽车在2018年推出Model 3时，它成为了首家在其自有逆变器设计中集成SiC MOSFET的公司，该器件来自意法半导体(ST)。Model 3的逆变器重量(4.8kg)不到依赖硅IGBT逆变器和标准现成器件的竞争对手的一半甚至三分之一，效率高达97%。
安森美提供的EliteSiC和VE-Trac两大产品系列满足了牵引逆变器的设计要求。用于牵引逆变器的EliteSiC功率模块提供了多种选择，包括裸片解决方案、凝胶封装模块和传递模塑模块，均采用全SiC MOSFET。
与基于IGBT的解决方案相比，EliteSiC系列在保持与类似封装形式兼容的同时，还提供了增强的性能、更高的效率和更高的功率密度。VE-Trac系列则是专为电动汽车牵引逆变器设计的符合车规级的IGBT功率模块系列。
安森美最新一代碳化硅技术EliteSiC M3e MOSFET与前几代产品相比，传导损耗降低了30%，关断损耗降低了高达50%。基于SiC平面技术构建的1200V M3e芯片(图3)能够提供比早期EliteSiC技术更多的相电流，从而在相同的牵引逆变器外壳内实现约20%的输出功率提升。相反，在固定功率水平下，现在的设计所需的SiC含量减少了20%，从而降低了成本，同时实现了更小、更轻、更可靠的系统。
图3：EliteSiC M3e晶圆(来源：onsemi)
太阳能逆变器
太阳能逆变器在光伏(PV)系统中发挥着至关重要的作用，它是太阳能电池板与电网或家庭用电系统之间的连接纽带。能量转换过程由两个关键阶段组成：
DC/DC转换阶段：最大功率点跟踪(MPPT)算法通过动态调节电压来优化太阳能电池板的功率输出，从而最大限度地提高效率。
DC/AC转换阶段：优化后的直流电随后转换为交流电，使其符合家庭用电或并网要求。
这两个步骤确保了高效的电源转换，减少了能量损耗，并提高了系统的整体性能。
IGBT因其在高电压和大电流管理方面的高效性而广泛用于太阳能逆变器，非常适合电源转换应用。它们兼具高速开关和低传导损耗，这两者对于MPPT和DC-AC转换过程都至关重要。
相比之下，硅MOSFET因其快速的开关速度和较低的栅极驱动功率要求，主要用于太阳能逆变器中的低功率应用。这些特性提高了整体效率，尤其是在紧凑型高频逆变器设计中。
SiC和GaN功率器件的引入使它们相较于传统的硅基半导体具有显著优势，例如降低了功率损耗、提高了效率，并且由于对冷却和无源元件的需求减少而实现了更紧凑的设计。
下表总结了Si和宽禁带功率晶体管在不同太阳能应用中的使用情况3：
GaN器件(例如EPC2215)是微型逆变器或独立MPPT/优化器系统初始阶段的理想选择。它们还适用于电池储能系统或串式逆变器内的多级拓扑结构。这款200V、162A、8mΩ的eGaN FET仅以钝化芯片形式提供，带有焊条，利用双面冷却技术增强了高功率密度设计的散热性能。
微型逆变器和串式逆变器越来越多地采用双向设计用于电池储能系统(BESS)，从而实现更高的功率密度，并使用更小、更经济高效的无源元件。GaN技术支持双向拓扑结构，同时以与硅MOSFET解决方案相当的成本提高功率密度和效率。德州仪器(TI)的LMG2100R044(100V集成GaN半桥)和LMG3100R017(100V集成GaN功率级)通过内置栅极驱动器、过温保护和短路保护电路简化了系统集成。
总结
从硅基向宽禁带功率器件的转变标志着逆变器技术的重大进展，在效率、功率密度和热管理方面均带来显著优势。虽然硅基逆变器仍然是许多应用的经济高效解决方案，但在要求更高性能和能效的行业中，宽禁带逆变器越来越受到青睐。随着SiC和GaN技术的成熟以及成本的下降，它们的应用将进一步扩大，从而推动下一代电力电子技术朝着更高的可持续性和性能发展。
参考文献
1 onsemi, “IGBT Technologies and Applications Overview: How and When to Use an IGBT”
2 Infineon Technologies, “Breaking barriers: Optimizing power technology for efficient traction inverters”
3 Nexperia, “Harnessing the sun: semiconductors in solar inverters”
