电力应用的未来

在电源市场的几乎所有细分市场中，颠覆性的最终产品技术继续朝着提高能效、更高功率密度和更低成本的共同目标前进。许多市场需要用于 DC/DC 转换器电源管理的高效系统，特别是汽车行业，因为它正在向电动汽车和医疗行业过渡，随着需要高效电池管理的越来越小的设备的出现。《电力电子新闻》采访了总部位于奥地利格蒙登的 RECOM 集团的技术总监 Steve Roberts，了解他对电力行业如何满足不断变化的市场需求的看法。罗伯茨出生于英国，拥有学士学位。伦敦布鲁内尔大学物理学和电子学学士，伦敦大学学院硕士学位。

您能描述一下电力市场的最新动态吗？Recom 在最终客户电源应用中的参与程度如何？

Recom 不仅制造和销售标准产品，还进行定制。大多数修改相对较小；更改如非标准输出电压或添加电线而不是引脚连接，但更多涉及其他客户要求；从更改规格以完全满足应用程序的操作要求到仅针对一个客户的完全定制设计。

图 1：史蒂夫·罗伯茨

我们看到越来越多的此类对定制电源解决方案的要求。原因有很多，但主要是通过在内部加入额外的保护或滤波来降低总体成本，通过扩展输入电压范围使解决方案更加通用，或者通过修改转换器来提高效率，从而提高效率。在应用程序的典型负载下达到峰值。我们还看到更多对非标准形状的要求。这是因为电源通常是设计的客户应用的最后一部分，它必须适合任何剩余的可用空间。

另一个总体趋势是获得认证的电源产品。随着监管限制变得越来越严格，客户获得他们自己设计和制造的电源的批准变得越来越困难。获得测试和认证解决方案所需的时间经常超过设计电源本身所需的时间并且成本呈爆炸式增长；医疗级认证可以轻松超过 7 万美元。从长远来看，安装经过预先测试、预先认证的模块会更简单、更容易且通常更便宜。

您如何看待用于高/功率应用的 IGBT 栅极驱动器技术的未来创新？

IGBT（绝缘栅双极晶体管）将逐渐被性能更好的替代技术如 SiC 和 GaN 所取代。其原因是隔离栅双极晶体管的操作存在根本性缺陷。顾名思义，IGBT 将双极晶体管的高电压/高电流开关能力与 FET 的电压驱动栅极驱动相结合。由于栅极是隔离的，即使 IGBT 开关数百伏特和安培，也可以使用 +15/-9V 的栅极驱动器电压轻松打开和关闭 IGBT。

缺点是隔离栅极意味着栅极驱动器和晶体管基板之间没有直接连接。即使栅极被用力拉断，栅极隔离电容上的任何残余电荷也会使 IGBT 保持导通。这种拖尾期间会浪费大量功率，在晶体管内产生过多热量并限制最大开关频率——所有这些都限制了其性能。

碳化硅 (SiC) 晶体管使用由人造蓝宝石制成的衬底，而不是纯硅。由于 SiC 的介电强度要高得多，因此可以将衬底层做得更薄，而没有闪络的风险。较小的尺寸显着降低了内部电容，并允许更快的切换。导热性也更高，这允许在更小的芯片尺寸中实现更高的功率切换。该操作类似于 FET，因此没有拖尾效应。主要区别在于最佳栅极驱动器电压为 +20/-5V 或 +15/-3V，具体取决于 SiC 设计的代数。目前，碳化硅晶体管更昂贵，不能轻易切换非常高的电压，所以仍然经常使用 IGBT，但电压范围随着成本的下降而迅速增加。

氮化镓 (GaN) 提供理想的开关特性。GaN 晶体管使用与 IGBT 或 FET 完全不同的开关技术。传导是通过 GaN 晶体衬底中的所谓电子气进行的，该电子气可以通过施加外部栅极电压来中断。它们是一种新型的高电子迁移率晶体管 (HEMT)。开关速度仅受内部寄生元件的限制。如果 IGBT 可以在高达 500kHz 的频率下开关，SiC 可以在几 MHz 下开关，那么 GaN 可以在 100MHz 下开关。栅极驱动器电压通常为 +6V/0V。

GaN技术仍然昂贵，但成本正在迅速降低。Recom 今年将推出其首款基于 GaN 的产品，其尺寸将不到标准电源的一半。

不断增长的能源市场对功率半导体的发展有什么影响？

能源规模的两端都有发展。一方面，光伏板电压从700V上升到1200KV甚至1500kV DC。另一方面，人们对能量收集微功率解决方案越来越感兴趣。

光伏能源提供可靠且可再生的能源，几乎没有或没有环境缺陷。为了提高效率，产生的电压应尽可能高，以保持电力电缆中的 I²R 损失较低。

对用于监控和控制单元以及为功率逆变器提供低压轨的宽范围、高压 DC/DC 转换器的需求不断增长。如果系统完全离网并且具有足够的隔离耐受电压来处理连续的输入电压范围以及偶尔的雷击浪涌，则这些 DC/DC 转换器需要直接从太阳能电池板电源运行。Recom 正在开发一款即将发布的产品。

另一方面，能量收集解决方案通常必须使用毫瓦或更少的电源和非常低的电源电压。为了制造有用的电源，来自光电、机械或热能发电机的低电流电压将被提升到更高的输出电压，为超级电容器或可充电电池充电。然后可以调节该中间能量存储器以提供 3.3V 电压来为无线电、微处理器或传感器系统供电。Recom 还致力于开发一种能量收集解决方案，其中 MPPT 输入控制、DC-DC 升压、锂离子充电电路和高效的 LDO 输出集成到一个易于使用的模块中。

图 2：RECOM Power RxxP2xx/R 系列 DC/DC 转换器。这些转换器通过了 IEC/EN/UL/CSA-60950 认证，是安全应用的理想选择；此外，它们还通过了 EN61010-1 实验室设备认证。

您认为未来哪些挑战会影响医疗和铁路应用的 DC-DC 设计，您计划如何改进您的产品套件以应对这些挑战？

病人监护设备正朝着两个新方向发展；首先，多参数传感器系统的趋势，其中一台设备用于测量许多生命体征，以便能够更全面地了解患者的健康状况，其次，患者出院的家庭治疗趋势早日入院并允许在家休养，从而减轻体验压力，同时节省成本。这两种趋势都需要新一代低成本、低功耗、紧凑型 DC/DC 转换器，首先为多参数监测器的每个通道，其次，允许在家庭环境中对患者进行远程感应，其中设备成本必须保持较低并内置额外的安全性，以免未经培训的用户误用造成危险。

因此，Recom 开发了一系列新的低成本 1W、2W、3.5W、5W 和 6W DC/DC 转换器。这些新的 REM 系列都经过加强隔离，可承受高达 250V AC 的永久故障电压，以保护用户免受主电源故障的影响。保护是双向的，因此在多通道系统中，即使患者意外接触到危险的电源电压，他们也不会通过传感器连接接地。

图 3：RECOM RP12-AR 系列 1 × 1 英寸铁路 DC/DC 转换器专为铁路机车车辆应用而设计，具有 36-160VDC 的超宽连续输入电压范围；但它们也适用于非铁路高压电池应用。

对于铁路应用，最新版的机车车辆电子设备 EN50155 规范规定标准电源电压为 24/28/36/48/72/96 或 110V DC。客户越来越要求通过单一电源解决方案处理所有这些电压，换言之，输入电压范围包括 16.8 – 154V DC 或 10:1 的瞬态范围。

因此，Recom 最近发布了两款具有 10:1 范围的更高功率 (100W/200W) DC/DC 转换器和两款具有 12:1 输入电压范围的中等功率 (40W/60W) 转换器。我们还根据铁路标准 EN 50121-1-2、RIA12 标准输入电压钳位、反极性保护和外部保持电容器的连接开发了两个具有全 EMC 滤波的评估板，以满足电源中断的要求。

审核编辑 黄昊宇