【技术讲座】利用SiC和GaN大幅削减电力转换装置的体积
时间：2013-09-18 05:38:00
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[导读]最近，采用可大幅削减电力损耗的新一代功率元件的试制示例接连出现。《日经电子》此次邀请了安川电机，针对采用SiC功率元件的AC-AC转换器以及采用GaN功率元件的功率调节器，介绍有关技术和取得的效果。（《日经电子》
最近，采用可大幅削减电力损耗的新一代功率元件的试制示例接连出现。《日经电子》此次邀请了安川电机，针对采用SiC功率元件的AC-AC转换器以及采用GaN功率元件的功率调节器，介绍有关技术和取得的效果。（《日经电子》）
我们开发出了新的电力转换装置，采用了导入SiC和GaN等新一代功率半导体材料制作的元件（以下简称功率元件，图1）。
图1：采用SiC和GaN缩小电力转换装置的尺寸
安川电机开发出了采用SiC功率元件的AC-AC转换器，以及采用GaN功率元件的功率调节器。与采用Si功率元件的原产品相比，均可实现小型化。
首先，我们试制了采用SiC功率元件的45kW输出电力转换装置（AC-AC转换器）。与安川电机以往的技术相比，其最大特点是体积缩小至约1/25。该电力转换装置定位为“旗舰产品”，从功率元件到控制技术的性能水准都是最高的。用汽车来比喻的话，相当于跑车。今后打算把此次开发中积累的技术用于其他用途，开发配备SiC功率元件的产品。
采用GaN功率元件的是用于光伏发电系统的家用功率调节器。在输出功率为4.5kW的家用功率调节器的逆变器电路等中采用了该元件。与采用Si IGBT的现有产品相比，电力损耗降低了约一半（2kW输出时），体积削减40％，重量减轻约27％。本文主要介绍这两种电力转换装置的开发情况。
60％以上的体积空闲
现在的逆变器和功率调节器等电力转换装置还有小型化的空间。例如，我们的45kW输出AC-AC转换器以交流输入后，用二极管整流，进行AC-DC转换后，通过逆变器电路进行DC-AC转换，然后驱动三相交流马达。
AC-AC转换器的构成比例如果按体积换算，闲置空间占66％，达到一半以上（图2）。冷却器占19％，电子部件、基板和母线布线等部材所占的比例仅15％。
图2：电力转换器的体积有一半以上为闲置空间
本图按体积换算了电力转换器的构成比。AC-AC转换器和功率调节器的闲置空间均达到60％以上。
家用功率调节器利用升压电路对太阳能电池模块的发电电力进行升压，然后通过逆变器电路、正弦波滤波器面向家庭用途输出100V，或面向系统连接用途输出200V的电力。我们的家用功率调节器也与AC-AC转换器一样，从体积比来看，闲置空间占65％，达到一半以上。而冷却器只占16％，部件等只占19％。
如上所述，闲置空间在总体积中所占的比例很高。原因主要有两个，一是，嵌入电力转换装置主电路的电解电容器、正弦波滤波器及电抗器等被动元件体积较大，而且每种部件的形状各异，因此部件与部件之间，以及部件与基板之间出现了剩余空间。另一个原因在于作为冷却器常用的散热片。散热片上配备的部件受限于功率元件和电抗器等，因此容易出现闲置空间。散热片越大，越容易产生闲置空间。
通过高频动作实现小型化
要想缩减闲置空间实现电力转换装置的小型化，首先需要缩小嵌入主电路的电容器和电抗器等外形尺寸较大的部件。如果以更高的频率开关电力转换装置内部的功率元件，就能缩小电感器和电容器的体积。例如，在升压电路中，开关频率越高，越能降低电感（L值），因此可应用小型电抗器。电容器一直存储能源，如果提高升压电路的开关频率，就能相应减小电容器的容量，从而缩小体积。
电力转换装置的高频动作需要支持“高速开关”的功率元件。逆变器电路通过PWM（脉冲宽度调制）控制，高频驱动时，如果不能输出窄脉冲，输出电压的失真就会增大。为了输出窄脉冲，必须进行高速开关。适合这种高速开关动作和高温动作并能降低损耗的，就是采用材料特性出色的SiC和GaN的功率元件（表1）。
不过，虽然采用了新一代材料，但如果驱动功率元件的栅极电路规模增大，仍难以用于高速开关。因为栅极电路规模增大的话，布线的阻抗成分也会增大。随着阻抗成分的增大，出现栅极误动作的可能性就会升高，比如栅极-源极间的电压会振荡，导致无法实现稳定动作。新一代功率元件可用小规模的栅极电路驱动，因此能解决这个问题。
降低导通损耗和开关损耗
要想缩减电力转换装置的闲置空间，除了缩小被动元件的尺寸外，还可以缩小散热片。缩小散热片有两种方法。第一是，降低散热片上安装的功率元件和电抗器的损耗，降低发热量的方法。
功率元件的损耗可分为导通损耗和开关损耗两种。其中，提高电力转换装置开关频率的话，开关损耗会增大。因此，为抑制高频化造成的损耗增加，就要利用SiC和GaN功率元件。这是因为，使用SiC和GaN的话，1kV以上的高耐压功率元件也可采用单极元件。如果是Si，在要求600V以上耐压的用途利用双极元件IGBT。单极元件一般比双极元件开关损耗小。
Si单极元件中，低损耗“超结构造”MOSFET的导通损耗也比较小。不过，栅极电荷量还很大，栅极电路的开关损耗比SiC和GaN功率元件要大。
电抗器的损耗方面，可通过上述开关频率的高频化削减线圈的圈数，由此能降低铜损。
可高温工作从而缩小散热片
缩小散热片尺寸的另一个方法是使功率元件高温工作。如果能以高接合温度驱动，就无需过于冷却功率元件，因此利用小散热片即可。
高温工作方面，虽然SiC和GaN功率元件本身一般能在200℃以上的高温下工作，但周边部材无法应对200℃以上的高温。例如，封装功率模块的硅凝胶等绝缘材料虽然也有号称高耐热的产品，但在热循环等耐久性方面还没发现能满足我们标准的材料。（特约撰稿人：樋口 雅人，安川电机技术开发本部开发研究所 能源转换技术部功率电子小组）
作者简介： 樋口 雅人
毕业于九州工业大学电气工学科，曾在汽车企业和半导体企业任职，1998年3月进入安川电机。在逆变器事务所从事硬件的开发设计。之后任现职。在开发研究所从事电力转换装置的技术研发，负责采用新一代功率元件的马达驱动技术的开发。
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我们开发出了新的电力转换装置，采用了导入SiC和GaN等新一代功率半导体材料制作的元件（以下简称功率元件，图1）。
图1：采用SiC和GaN缩小电力转换装置的尺寸
安川电机开发出了采用SiC功率元件的AC-AC转换器，以及采用GaN功率元件的功率调节器。与采用Si功率元件的原产品相比，均可实现小型化。
首先，我们试制了采用SiC功率元件的45kW输出电力转换装置（AC-AC转换器）。与安川电机以往的技术相比，其最大特点是体积缩小至约1/25。该电力转换装置定位为“旗舰产品”，从功率元件到控制技术的性能水准都是最高的。用汽车来比喻的话，相当于跑车。今后打算把此次开发中积累的技术用于其他用途，开发配备SiC功率元件的产品。
采用GaN功率元件的是用于光伏发电系统的家用功率调节器。在输出功率为4.5kW的家用功率调节器的逆变器电路等中采用了该元件。与采用Si IGBT的现有产品相比，电力损耗降低了约一半（2kW输出时），体积削减40％，重量减轻约27％。本文主要介绍这两种电力转换装置的开发情况。
60％以上的体积空闲
现在的逆变器和功率调节器等电力转换装置还有小型化的空间。例如，我们的45kW输出AC-AC转换器以交流输入后，用二极管整流，进行AC-DC转换后，通过逆变器电路进行DC-AC转换，然后驱动三相交流马达。
AC-AC转换器的构成比例如果按体积换算，闲置空间占66％，达到一半以上（图2）。冷却器占19％，电子部件、基板和母线布线等部材所占的比例仅15％。
图2：电力转换器的体积有一半以上为闲置空间
本图按体积换算了电力转换器的构成比。AC-AC转换器和功率调节器的闲置空间均达到60％以上。
家用功率调节器利用升压电路对太阳能电池模块的发电电力进行升压，然后通过逆变器电路、正弦波滤波器面向家庭用途输出100V，或面向系统连接用途输出200V的电力。我们的家用功率调节器也与AC-AC转换器一样，从体积比来看，闲置空间占65％，达到一半以上。而冷却器只占16％，部件等只占19％。
如上所述，闲置空间在总体积中所占的比例很高。原因主要有两个，一是，嵌入电力转换装置主电路的电解电容器、正弦波滤波器及电抗器等被动元件体积较大，而且每种部件的形状各异，因此部件与部件之间，以及部件与基板之间出现了剩余空间。另一个原因在于作为冷却器常用的散热片。散热片上配备的部件受限于功率元件和电抗器等，因此容易出现闲置空间。散热片越大，越容易产生闲置空间。
通过高频动作实现小型化
要想缩减闲置空间实现电力转换装置的小型化，首先需要缩小嵌入主电路的电容器和电抗器等外形尺寸较大的部件。如果以更高的频率开关电力转换装置内部的功率元件，就能缩小电感器和电容器的体积。例如，在升压电路中，开关频率越高，越能降低电感（L值），因此可应用小型电抗器。电容器一直存储能源，如果提高升压电路的开关频率，就能相应减小电容器的容量，从而缩小体积。
电力转换装置的高频动作需要支持“高速开关”的功率元件。逆变器电路通过PWM（脉冲宽度调制）控制，高频驱动时，如果不能输出窄脉冲，输出电压的失真就会增大。为了输出窄脉冲，必须进行高速开关。适合这种高速开关动作和高温动作并能降低损耗的，就是采用材料特性出色的SiC和GaN的功率元件（表1）。
不过，虽然采用了新一代材料，但如果驱动功率元件的栅极电路规模增大，仍难以用于高速开关。因为栅极电路规模增大的话，布线的阻抗成分也会增大。随着阻抗成分的增大，出现栅极误动作的可能性就会升高，比如栅极-源极间的电压会振荡，导致无法实现稳定动作。新一代功率元件可用小规模的栅极电路驱动，因此能解决这个问题。
降低导通损耗和开关损耗
要想缩减电力转换装置的闲置空间，除了缩小被动元件的尺寸外，还可以缩小散热片。缩小散热片有两种方法。第一是，降低散热片上安装的功率元件和电抗器的损耗，降低发热量的方法。
功率元件的损耗可分为导通损耗和开关损耗两种。其中，提高电力转换装置开关频率的话，开关损耗会增大。因此，为抑制高频化造成的损耗增加，就要利用SiC和GaN功率元件。这是因为，使用SiC和GaN的话，1kV以上的高耐压功率元件也可采用单极元件。如果是Si，在要求600V以上耐压的用途利用双极元件IGBT。单极元件一般比双极元件开关损耗小。
Si单极元件中，低损耗“超结构造”MOSFET的导通损耗也比较小。不过，栅极电荷量还很大，栅极电路的开关损耗比SiC和GaN功率元件要大。
电抗器的损耗方面，可通过上述开关频率的高频化削减线圈的圈数，由此能降低铜损。
可高温工作从而缩小散热片
缩小散热片尺寸的另一个方法是使功率元件高温工作。如果能以高接合温度驱动，就无需过于冷却功率元件，因此利用小散热片即可。
高温工作方面，虽然SiC和GaN功率元件本身一般能在200℃以上的高温下工作，但周边部材无法应对200℃以上的高温。例如，封装功率模块的硅凝胶等绝缘材料虽然也有号称高耐热的产品，但在热循环等耐久性方面还没发现能满足我们标准的材料。（特约撰稿人：樋口 雅人，安川电机技术开发本部开发研究所 能源转换技术部功率电子小组）
作者简介： 樋口 雅人
毕业于九州工业大学电气工学科，曾在汽车企业和半导体企业任职，1998年3月进入安川电机。在逆变器事务所从事硬件的开发设计。之后任现职。在开发研究所从事电力转换装置的技术研发，负责采用新一代功率元件的马达驱动技术的开发。
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