在電源市場的幾乎所有細分市場中，顛覆性的最終產(chǎn)品技術(shù)繼續(xù)朝著提高能效、更高功率密度和更低成本的共同目標前進。許多市場需要用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源管理的高效系統(tǒng)，特別是汽車行業(yè)，因為它正在向電動汽車和醫(yī)療行業(yè)過渡，隨著需要高效電池管理的越來越小的設(shè)備的出現(xiàn)。《電力電子新聞》采訪了總部位于奧地利格蒙登的 RECOM 集團的技術(shù)總監(jiān) Steve Roberts，了解他對電力行業(yè)如何滿足不斷變化的市場需求的看法。羅伯茨出生于英國，擁有學(xué)士學(xué)位。倫敦布魯內(nèi)爾大學(xué)物理學(xué)和電子學(xué)學(xué)士，倫敦大學(xué)學(xué)院碩士學(xué)位。

您能描述一下電力市場的最新動態(tài)嗎？Recom 在最終客戶電源應(yīng)用中的參與程度如何？

Recom 不僅制造和銷售標準產(chǎn)品，還進行定制。大多數(shù)修改相對較小；更改如非標準輸出電壓或添加電線而不是引腳連接，但更多涉及其他客戶要求；從更改規(guī)格以完全滿足應(yīng)用程序的操作要求到僅針對一個客戶的完全定制設(shè)計。

圖 1：史蒂夫·羅伯茨

我們看到越來越多的此類對定制電源解決方案的要求。原因有很多，但主要是通過在內(nèi)部加入額外的保護或濾波來降低總體成本，通過擴展輸入電壓范圍使解決方案更加通用，或者通過修改轉(zhuǎn)換器來提高效率，從而提高效率。在應(yīng)用程序的典型負載下達到峰值。我們還看到更多對非標準形狀的要求。這是因為電源通常是設(shè)計的客戶應(yīng)用的最后一部分，它必須適合任何剩余的可用空間。

另一個總體趨勢是獲得認證的電源產(chǎn)品。隨著監(jiān)管限制變得越來越嚴格，客戶獲得他們自己設(shè)計和制造的電源的批準變得越來越困難。獲得測試和認證解決方案所需的時間經(jīng)常超過設(shè)計電源本身所需的時間并且成本呈爆炸式增長；醫(yī)療級認證可以輕松超過 7 萬美元。從長遠來看，安裝經(jīng)過預(yù)先測試、預(yù)先認證的模塊會更簡單、更容易且通常更便宜。

您如何看待用于高/功率應(yīng)用的 IGBT 柵極驅(qū)動器技術(shù)的未來創(chuàng)新？

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）將逐漸被性能更好的替代技術(shù)如 SiC 和 GaN 所取代。其原因是隔離柵雙極晶體管的操作存在根本性缺陷。顧名思義，IGBT 將雙極晶體管的高電壓/高電流開關(guān)能力與 FET 的電壓驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動相結(jié)合。由于柵極是隔離的，即使 IGBT 開關(guān)數(shù)百伏特和安培，也可以使用 +15/-9V 的柵極驅(qū)動器電壓輕松打開和關(guān)閉 IGBT。

缺點是隔離柵極意味著柵極驅(qū)動器和晶體管基板之間沒有直接連接。即使柵極被用力拉斷，柵極隔離電容上的任何殘余電荷也會使 IGBT 保持導(dǎo)通。這種拖尾期間會浪費大量功率，在晶體管內(nèi)產(chǎn)生過多熱量并限制最大開關(guān)頻率——所有這些都限制了其性能。

碳化硅 (SiC) 晶體管使用由人造藍寶石制成的襯底，而不是純硅。由于 SiC 的介電強度要高得多，因此可以將襯底層做得更薄，而沒有閃絡(luò)的風(fēng)險。較小的尺寸顯著降低了內(nèi)部電容，并允許更快的切換。導(dǎo)熱性也更高，這允許在更小的芯片尺寸中實現(xiàn)更高的功率切換。該操作類似于 FET，因此沒有拖尾效應(yīng)。主要區(qū)別在于最佳柵極驅(qū)動器電壓為 +20/-5V 或 +15/-3V，具體取決于 SiC 設(shè)計的代數(shù)。目前，碳化硅晶體管更昂貴，不能輕易切換非常高的電壓，所以仍然經(jīng)常使用 IGBT，但電壓范圍隨著成本的下降而迅速增加。

氮化鎵 (GaN) 提供理想的開關(guān)特性。GaN 晶體管使用與 IGBT 或 FET 完全不同的開關(guān)技術(shù)。傳導(dǎo)是通過 GaN 晶體襯底中的所謂電子氣進行的，該電子氣可以通過施加外部柵極電壓來中斷。它們是一種新型的高電子遷移率晶體管 (HEMT)。開關(guān)速度僅受內(nèi)部寄生元件的限制。如果 IGBT 可以在高達 500kHz 的頻率下開關(guān)，SiC 可以在幾 MHz 下開關(guān)，那么 GaN 可以在 100MHz 下開關(guān)。柵極驅(qū)動器電壓通常為 +6V/0V。

GaN技術(shù)仍然昂貴，但成本正在迅速降低。Recom 今年將推出其首款基于 GaN 的產(chǎn)品，其尺寸將不到標準電源的一半。

不斷增長的能源市場對功率半導(dǎo)體的發(fā)展有什么影響？

能源規(guī)模的兩端都有發(fā)展。一方面，光伏板電壓從700V上升到1200KV甚至1500kV DC。另一方面，人們對能量收集微功率解決方案越來越感興趣。

光伏能源提供可靠且可再生的能源，幾乎沒有或沒有環(huán)境缺陷。為了提高效率，產(chǎn)生的電壓應(yīng)盡可能高，以保持電力電纜中的 I2R 損失較低。

對用于監(jiān)控和控制單元以及為功率逆變器提供低壓軌的寬范圍、高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的需求不斷增長。如果系統(tǒng)完全離網(wǎng)并且具有足夠的隔離耐受電壓來處理連續(xù)的輸入電壓范圍以及偶爾的雷擊浪涌，則這些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要直接從太陽能電池板電源運行。Recom 正在開發(fā)一款即將發(fā)布的產(chǎn)品。

另一方面，能量收集解決方案通常必須使用毫瓦或更少的電源和非常低的電源電壓。為了制造有用的電源，來自光電、機械或熱能發(fā)電機的低電流電壓將被提升到更高的輸出電壓，為超級電容器或可充電電池充電。然后可以調(diào)節(jié)該中間能量存儲器以提供 3.3V 電壓來為無線電、微處理器或傳感器系統(tǒng)供電。Recom 還致力于開發(fā)一種能量收集解決方案，其中 MPPT 輸入控制、DC-DC 升壓、鋰離子充電電路和高效的 LDO 輸出集成到一個易于使用的模塊中。

圖 2：RECOM Power RxxP2xx/R 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器通過了 IEC/EN/UL/CSA-60950 認證，是安全應(yīng)用的理想選擇；此外，它們還通過了 EN61010-1 實驗室設(shè)備認證。

您認為未來哪些挑戰(zhàn)會影響醫(yī)療和鐵路應(yīng)用的 DC-DC 設(shè)計，您計劃如何改進您的產(chǎn)品套件以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？

病人監(jiān)護設(shè)備正朝著兩個新方向發(fā)展；首先，多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的趨勢，其中一臺設(shè)備用于測量許多生命體征，以便能夠更全面地了解患者的健康狀況，其次，患者出院的家庭治療趨勢早日入院并允許在家休養(yǎng)，從而減輕體驗壓力，同時節(jié)省成本。這兩種趨勢都需要新一代低成本、低功耗、緊湊型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，首先為多參數(shù)監(jiān)測器的每個通道，其次，允許在家庭環(huán)境中對患者進行遠程感應(yīng)，其中設(shè)備成本必須保持較低并內(nèi)置額外的安全性，以免未經(jīng)培訓(xùn)的用戶誤用造成危險。

因此，Recom 開發(fā)了一系列新的低成本 1W、2W、3.5W、5W 和 6W DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這些新的 REM 系列都經(jīng)過加強隔離，可承受高達 250V AC 的永久故障電壓，以保護用戶免受主電源故障的影響。保護是雙向的，因此在多通道系統(tǒng)中，即使患者意外接觸到危險的電源電壓，他們也不會通過傳感器連接接地。

圖 3：RECOM RP12-AR 系列 1 × 1 英寸鐵路 DC/DC 轉(zhuǎn)換器專為鐵路機車車輛應(yīng)用而設(shè)計，具有 36-160VDC 的超寬連續(xù)輸入電壓范圍；但它們也適用于非鐵路高壓電池應(yīng)用。

對于鐵路應(yīng)用，最新版的機車車輛電子設(shè)備 EN50155 規(guī)范規(guī)定標準電源電壓為 24/28/36/48/72/96 或 110V DC。客戶越來越要求通過單一電源解決方案處理所有這些電壓，換言之，輸入電壓范圍包括 16.8 – 154V DC 或 10:1 的瞬態(tài)范圍。

因此，Recom 最近發(fā)布了兩款具有 10:1 范圍的更高功率 (100W/200W) DC/DC 轉(zhuǎn)換器和兩款具有 12:1 輸入電壓范圍的中等功率 (40W/60W) 轉(zhuǎn)換器。我們還根據(jù)鐵路標準 EN 50121-1-2、RIA12 標準輸入電壓鉗位、反極性保護和外部保持電容器的連接開發(fā)了兩個具有全 EMC 濾波的評估板，以滿足電源中斷的要求。

審核編輯 黃昊宇