半導體器件的發明和應用深刻地改變了近50年的人類歷史發展進程。進入21世紀，半導體器件無處不在，已成為構筑信息化社會的基石。同時，電力半導體在提高電力轉換效率方面的作用使之成為構筑低碳社會的基石。半導體技術的節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電裝置的電能轉換、儲存、輸送過程中發揮著關鍵性作用。可見，可再生能源利用和能源轉換裝置效率的提高都離不開半導體技術的創新應用。

　　硅Si器件經歷了多年的發展已經改變了家用電器的面貌，直流調速技術已經成為家用空調以及其他電機提高效率的主要技術措施。值得關注的是，碳化硅SiC、氮化鎵GaN和氧化鎵Ga2O3等新型器件的技術發展，除可通過減少器件能耗提高電力轉換效率之外，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發展。

　　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管，能效標簽、能效等級制度是較為常見的監管方式。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，且只針對利用技術進步實現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。據預測，未來10年，美國家庭數量將增長11%，而得益于電力半導體技術，美國家庭用電量將僅增加6%。有調查報告指出：美國所有電力應用中的6%~10%是電源從交流AC轉換為直流DC，由于現有電源效率欠佳，美國電力總消耗的3%~4%是在電源內部消耗的;以改進產品設計、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，可以節省美國電力總消耗的1%~2%。這意味著電力半導體技術具有每年節省30億~60億美元的潛能。

　　如今，電力半導體技術的發展不僅體現在應用日益廣泛的高效率LED照明器具上，即使在空調、冰箱、洗衣機、電磁灶等大功率家電領域，電力半導體的應用也已超出控制器驅動電源的范圍。大功率電力半導體驅動技術改變了產品原有的運行方式和能量轉換過程，節能效果顯著。提高家用電器的電源轉換效率和降低待機能耗是目前普遍采用的節能措施。半導體制造企業、電力轉換部件制造企業以及家用電器整機制造企業正在努力使這些損耗變得更小。

　　電機是多數白色家電的主要耗電部件，雖然調速控制和變扭矩控制技術在提高電機效率方面的作用早已為人所知，并在工業領域得到廣泛應用，但是在電力半導體出現前，這些技術難以應用于結構緊湊、維護相對不便的家用電器中。例如，具有調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，并使得驅動電源體積龐大、價格高昂。20世紀70年代末，日本企業將電力半導體技術應用于空調制冷壓縮機的調速控制，基本實現整機10萬h免維修，同時令驅動電源的外形尺寸大大縮小，可放置于空調內部，且價格大幅降低。日本市場在不到10年的時間內基本完成了從定轉速到變頻調速的轉變。雖然變頻電源消耗了約10%的電能，但是利用變頻調速在運行過程中的變速、變扭矩功能，可使住宅空調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的廣泛應用。

　　在變頻器和變壓器等裝置中起開關作用的電力半導體，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和二極管等的技術發展趨勢是，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應用研究促進協會太陽能系統研究所ISE目前已經將太陽能光伏發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原有同類逆變器下降了50%左右。該機構在額定功率為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鍵。這些SiC器件由美國科銳Cree公司生產，該公司在2010年已經解決了直徑6英寸SiC底板的制造工藝問題，并實現批量生產，為SiC器件制造成本的大幅下降創造了條件。

　　新型半導體器件的較高效率提升主要是因為器件內部功耗較低。在相同的電路結構下，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，發熱量也隨之下降，從而實現電力轉換器件的節能化。

　　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實現數倍于Si元件的高速開關，使得電感器等外圍電路部件的尺寸大幅下降，從而實現電力轉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℃以上的高溫環境下工作，在發熱量相同的情況下，能夠減小電力轉換器件冷卻裝置的外形尺寸。

　　隨著GaN和SiC電力半導體產業化步伐的加快，開發充分利用其特性的新型外圍電路成為當務之急，例如可實現高速工作的驅動電路設計、以高頻開關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。這些外圍電路技術的進步，是發揮GaN和SiC器件效力的關鍵。

　　碳化硅器件產業化

　　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作為直流調速壓縮機驅動電源的家用空調。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以SiC為代表的新一代電力半導體產業化的開始。

　　首批采用SiC器件的家用空調是三菱電機霧峰MoveEye系列產品，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，其他型號產品將陸續以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，僅用于直流調速壓縮機驅動電源。從節能角度來說，采用SiC-SBD，壓縮機驅動電源的電能轉換損失可減少約60%，空調整機耗電量約減少2%。如果需要進一步提高電能轉換效率及縮小驅動電源外形尺寸，還需將其他電力半導體全部改為SiC器件，實現以SiCMOSFET取代IGBT。三菱電機此舉旨在促進SiC市場加速發展，使SiC器件的價格盡快進入合理區間，同時力爭在2013~2014年實現SiCMOSFET的產業化目標，從而在電力半導體市場取得競爭優勢。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。

　　三菱電機曾發布過一系列針對采用全SiC電力轉換器件的節能前景驗證結果。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%。

　　驗證結果顯示，輸出功率為20kW的SiC電機變頻器的節能效果更為顯著。額定輸出功率為20kW、開關頻率為20kHz的SiC電機變頻器，與采用普通Si制成的IGBT同類產品相比，功耗減少約90%。據介紹，這是通過縮短開關時間實現SiC器件開關速度的提升，從而降低功耗。為了加快開關速度，柵極驅動電路需實現高速化，改進驅動方式，降低驅動電路中的寄生電感，從而將開關時間縮短為50%左右。同時，提高開關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動電路一起內置在模塊中。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可以實現這種雙贏。與采用Si器件構成的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，轉換效率高達96.4%，是目前同類電力電子轉換裝置中電能轉換效率最高的產品，主要用于家用太陽能發電系統和燃料電池系統等的功率調節。該逆變器由調節直流電壓的斬波器和將直流轉換成交流的單相逆變器構成，并通過降低斬波器電路上二極管的恢復電流，實現高轉換效率。與原來采用Si二極管的最高性能產品相比，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頻率，裝置體積縮小了15%。