半導體器件的發(fā)明和應用深刻地改變了近50年的人類歷史發(fā)展進程。進入21世紀，半導體器件無處不在，已成為構(gòu)筑信息化社會的基石。同時，電力半導體在提高電力轉(zhuǎn)換效率方面的作用使之成為構(gòu)筑低碳社會的基石。半導體技術(shù)的節(jié)能效果是顯而易見的。世界首臺采用電子管的電子計算機ENIAC重達30噸，耗電量高達200kW，而如今具有同樣功能的半導體計算設(shè)備重量僅為幾克，耗電量不足1W。同時，電力半導體在太陽能光伏和風力發(fā)電裝置的電能轉(zhuǎn)換、儲存、輸送過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。可見，可再生能源利用和能源轉(zhuǎn)換裝置效率的提高都離不開半導體技術(shù)的創(chuàng)新應用。

　　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家用電器技術(shù)發(fā)展。

　　提高能源利用效率是一個含義廣泛的課題。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行過程中的能源利用效率。目前，各國基本已對家用電器的能源利用效率展開監(jiān)管，能效標簽、能效等級制度是較為常見的監(jiān)管方式。而廣義的提高效率還需要考慮制造過程的能源消耗、原材料能耗、運行過程中間接的能效影響。本文討論的效率問題僅限于狹義范圍，且只針對利用技術(shù)進步實現(xiàn)能源利用效率提高的措施，并將著重闡述電力半導體對提高家用電器能源利用效率的作用。

　　電力半導體的材料替代

　　家庭用電約占美國社會總用電量的1/3。據(jù)預測，未來10年，美國家庭數(shù)量將增長11%，而得益于電力半導體技術(shù)，美國家庭用電量將僅增加6%。有調(diào)查報告指出：美國所有電力應用中的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，美國電力總消耗的3%~4%是在電源內(nèi)部消耗的;以改進產(chǎn)品設(shè)計、使用微電子控制器件以及場效應管FET和二極管等電力半導體來提高電源效率，可以節(jié)省美國電力總消耗的1%~2%。這意味著電力半導體技術(shù)具有每年節(jié)省30億~60億美元的潛能。

　　如今，電力半導體技術(shù)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在應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、電磁灶等大功率家電領(lǐng)域，電力半導體的應用也已超出控制器驅(qū)動電源的范圍。大功率電力半導體驅(qū)動技術(shù)改變了產(chǎn)品原有的運行方式和能量轉(zhuǎn)換過程，節(jié)能效果顯著。提高家用電器的電源轉(zhuǎn)換效率和降低待機能耗是目前普遍采用的節(jié)能措施。半導體制造企業(yè)、電力轉(zhuǎn)換部件制造企業(yè)以及家用電器整機制造企業(yè)正在努力使這些損耗變得更小。

　　電機是多數(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)域得到廣泛應用，但是在電力半導體出現(xiàn)前，這些技術(shù)難以應用于結(jié)構(gòu)緊湊、維護相對不便的家用電器中。例如，具有調(diào)速功能的直流電機在配備半導體換向器之前，使用的是機械換向器，而機械換向器的壽命通常不足1000h，并使得驅(qū)動電源體積龐大、價格高昂。20世紀70年代末，日本企業(yè)將電力半導體技術(shù)應用于空調(diào)制冷壓縮機的調(diào)速控制，基本實現(xiàn)整機10萬h免維修，同時令驅(qū)動電源的外形尺寸大大縮小，可放置于空調(diào)內(nèi)部，且價格大幅降低。日本市場在不到10年的時間內(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)速在運行過程中的變速、變扭矩功能，可使住宅空調(diào)電力消耗平均降低約30%。同時，在冬季熱泵運行模式下具備大幅度提高制熱量的能力，這也促進了熱泵供熱技術(shù)的廣泛應用。

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

　　德國弗勞恩霍夫Fraunhofer應用研究促進協(xié)會太陽能系統(tǒng)研究所ISE目前已經(jīng)將太陽能光伏發(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構(gòu)原有同類逆變器下降了50%左右。該機構(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底板的制造工藝問題，并實現(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。

　　新型半導體器件的較高效率提升主要是因為器件內(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元件的高速開關(guān)，使得電感器等外圍電路部件的尺寸大幅下降，從而實現(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元件無法適應的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電力半導體產(chǎn)業(yè)化步伐的加快，開發(fā)充分利用其特性的新型外圍電路成為當務之急，例如可實現(xiàn)高速工作的驅(qū)動電路設(shè)計、以高頻開關(guān)為前提的電磁噪聲對策等。要使這些電力半導體在超過200℃的高溫環(huán)境下工作，除了采用耐熱性高且低價位的焊錫材料，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，日本三菱電機公司宣布于2011冷凍年度開始銷售采用SiC制造的肖特基勢壘二極管SBD作為直流調(diào)速壓縮機驅(qū)動電源的家用空調(diào)。這是世界上首件應用SiC電力半導體的家用電器，標志著家用電器行業(yè)以SiC為代表的新一代電力半導體產(chǎn)業(yè)化的開始。

　　首批采用SiC器件的家用空調(diào)是三菱電機霧峰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兩個型號。按照計劃，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器件的價格仍然較高，但是三菱電機并未將成本變化反映在整機價格上，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)速壓縮機驅(qū)動電源。從節(jié)能角度來說，采用SiC-SBD，壓縮機驅(qū)動電源的電能轉(zhuǎn)換損失可減少約60%，空調(diào)整機耗電量約減少2%。如果需要進一步提高電能轉(zhuǎn)換效率及縮小驅(qū)動電源外形尺寸，還需將其他電力半導體全部改為SiC器件，實現(xiàn)以SiCMOSFET取代IGBT。三菱電機此舉旨在促進SiC市場加速發(fā)展，使SiC器件的價格盡快進入合理區(qū)間，同時力爭在2013~2014年實現(xiàn)SiCMOSFET的產(chǎn)業(yè)化目標，從而在電力半導體市場取得競爭優(yōu)勢。三菱電機計劃將IGBT全部替換為SiCMOSFET，SiC器件將不僅應用于壓縮機驅(qū)動電源，還將應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。

　　三菱電機曾發(fā)布過一系列針對采用全SiC電力轉(zhuǎn)換器件的節(jié)能前景驗證結(jié)果。利用SiC-SBD和SiCMOSFET試制的輸出功率為11kW的電機變頻器，與三菱電機采用Si器件制造的同類整機相比，功耗約減少70%。同時，試制的SiC變頻器的體積小于Si變頻器，采用SiC器件的整機體積只有利用Si器件整機的1/4左右。此外，三菱電機試制的輸出功率為3.7kW的SiC電機變頻器的功耗比Si電機變頻器下降約54%。

　　驗證結(jié)果顯示，輸出功率為20kW的SiC電機變頻器的節(jié)能效果更為顯著。額定輸出功率為20kW、開關(guān)頻率為20kHz的SiC電機變頻器，與采用普通Si制成的IGBT同類產(chǎn)品相比，功耗減少約90%。據(jù)介紹，這是通過縮短開關(guān)時間實現(xiàn)SiC器件開關(guān)速度的提升，從而降低功耗。為了加快開關(guān)速度，柵極驅(qū)動電路需實現(xiàn)高速化，改進驅(qū)動方式，降低驅(qū)動電路中的寄生電感，從而將開關(guān)時間縮短為50%左右。同時，提高開關(guān)速度可能導致浪涌電壓增大，從而損壞SiC器件。為了避免這一問題，新產(chǎn)品通過改進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電機變頻器相比，SiC電機變頻器的寄生電感僅為前者的1/5~1/10。

　　2011年2月，三菱電機宣布成功開發(fā)出晶體管和二極管均采用SiC的電力半導體器件——“全SiC”智能功率模塊IPM。除了采用SiC器件，IPM還將過電流保護電路與驅(qū)動電路一起內(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，同時逆變器功耗降低約70%。此外，新模塊的體積約為原同類模塊的一半。

　　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96.4%，是目前同類電力電子轉(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，并通過降低斬波器電路上二極管的恢復電流，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。與原來采用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%;通過提高斬波器電路的開關(guān)頻率，裝置體積縮小了15%。