SR489-P5-HI-A20-E 固态配电:采用碳化硅技术的智能电网的未来

　　能源转换是人类进步的根本，是现代社会成就的燃料。电能和电力的现成可用性对于技术进步至关重要，它推动着各行各业的创新，推动着定义我们时代的尖端技术的发展。

　　数字时代的基础设施由电能驱动，无论是数据中心、加密货币、机器人、交通、自动化工厂还是智能家居。据国际能源署(IEA)预测，2024年，数据中心每年消耗大约1%到1.3%的全球电力这一数字预计将随着人工智能(AI)、云计算和数据存储需求的持续增长而增长。电能重要性的另一个证明是电力运输的进步。据估计，到2030年，全球电动汽车的能耗将超过710 TWh。机器人是制造业、医疗保健和服务业不可或缺的组成部分，也严重依赖电力。例如，根据其尺寸和应用，工业机器人可以消耗1.5至20千瓦的能量，这说明了它们的大量能量需求，因为根据国际机器人联合会(IFR)的数据，2023年全球工厂中有430万台机器人在运行。

　　图片由提供Adobe股票

　　俄罗斯物理学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了先进文明与其有效驾驭和利用能源的能力之间的相互关系。他著名的卡尔达舍夫等级表明，要成为第二类文明，人类必须学会提取其宿主恒星的能量。虽然我们还远未达到第二类文明的地位，但随着向电气化的范式转变和可再生能源发挥越来越重要的作用，今天正在奠定基础。我们能源雄心的核心是半导体，尤其是功率半导体。

　　表1。功率半导体的典型品质因数

　　FoMR在…上* A[mω* mm2]R在…上*问战略情报局[mω* nC]R在…上*问乡邮投递路线[mω* nC]R在…上*E战略情报局[mω* J]R在…上*问G[mω* nC]R在…上*问绿色发展[mω* nC]R在…上*我d脉冲[ω* A]R在…上*我Dsat[ω* A]

　　过去，设计功率转换或发电系统通常涉及两种主要的技术选择:IGBTs和超结MOSFETs。然而，如今我们拥有广泛的先进产品，从众所周知的硅IGBTs和MOSFETs到氮化镓(GaN)基HEMTs和碳化硅(SiC)功率器件，所有产品均采用各种先进的分立或模块化封装。

　　为了实现最佳的功率密度、效率、数字连接和安全性，功率半导体与辅助系统元件(如栅极驱动器、电流传感器和微控制器)的相互作用变得越来越重要。除了硬件解决方案，软件正在成为系统设计的一个重要方面，从功率控制算法到提高效率和寿命的大数据处理。

　　供应商必须超越仅仅改进他们的技术;他们必须了解系统的关键品质因数(FOM)、半导体在系统中的相互作用以及下一代应用的发展。这种理解对于提供真正的产品到系统解决方案，解决未来能源基础设施的痛点至关重要。

　　系统中心思想

　　为了遵守本文的篇幅限制，我们将继续关注电源拓扑和相关的功率半导体解决方案，尽管以系统为中心的思想不仅包括电源转换，还包括电源控制和软件模块。

　　衍生以应用(系统)为中心的半导体解决方案意味着什么?为了探索这一点，让我们首先回顾一下基准测试和定义下一代功率半导体产品的经典方法。典型地，一组fom被模拟和优化。表1中列出的这些众所周知的参数通常决定了一代产品相对于另一代产品的改进。然而，这些参数经常被优化，而没有探索利用它们的应用的发展或指示系统的控制方法。

　　这种方法虽然有效，但可能会忽略特定应用要求和不断发展的控制方法的更广泛的背景。通过采用以系统为中心的观点，我们可以确保半导体解决方案不仅针对隔离式fom进行优化，还针对其在整个系统中的性能进行优化，从而实现更全面、更鲁棒的设计。

　　一代

　　根据弗劳恩霍夫协会的最新报告，“电力可再生能源技术的平准化成本”光伏(PV)系统和风力发电是迄今为止最具成本效益的解决方案，在生产过程中和生命周期结束时不会产生副产品，只会产生废物。对于没有电池能量存储系统(ESS)的公用事业规模的PV安装，成本在4-6€美分/千瓦时的范围内。对于带有ESS的公用事业规模系统，范围增加到5-11€美分/千瓦时，仅略高于风力发电。事实证明，即使是小型屋顶光伏系统也比沼气或煤更具成本效益。显而易见的是，太阳能与储能的结合将是未来电网和电力格局的关键。过去几年的快速增长证明了这些好处。那么，这些系统面临的挑战是什么?电力电子将如何帮助克服这些挑战，实现更光明的未来?

　　图1显示了光伏逆变器物料清单(BOM)的典型明细。然而，在这里，我们着眼于功率半导体对同一BOM的影响。可以看出，机械元件、滤波器和DC电容约占系统成本的65%。选择正确的电源拓扑和半导体对总拥有成本和制造成本有很大影响。