半导体在改善能源效应中的角色

1、半导体在改善能源效应中的角色    历史发展进入现代工业社会后，能源已经成为人类文明进步的首要推动力。伴随着最近2D年全球经济的稳定发展，全球能源消耗总量更是一直在持续攀升。2007年全球能源消耗保持强劲，主要能源消耗比上一年增长了2.4，这一数字仅比2006年的2.7略低，消费增长最大的是亚太地区，中国增加了7.7%，这已是2002年以来最低涨幅，而国际能源组织(IEA)甚至预言中国将在2010年之前取代美国成为耗电量最大的国家。根据国际能源年鉴的预测，2010年的世界能源消耗市场将达到511kMBTU(英制热量单位，1BTU约等于1055焦耳)，20

2、30年增加到702kMBTU，比当前的能耗需求增加了一半还多。    随着大量能源被消耗掉，尤其是不可再生能源，接踵而来的是日益凸现的能源危机和环境保护问题。在我们努力开发风能、太阳能这些替代能源的同时，还必须寻找新的途径，力求以更少的能源消耗完成更多的任务，并且改善温室效应导致的环境恶化。    集成电路被寄予了厚望。随着过去半个世纪的技术创新，特别是在微电子领域，能源的利用已经成为生产力以及世界各地人民生活水平提高的主要推动力。半导体技术的持续进步对家庭，工厂和运输系统的能源使用效率，以及可再生能源使用效率的提高做出了巨大贡献。采

3、用先进节能技术的芯片在工作时可以发挥更高的效率。在系统处于待机状态时，又可减少系统的功耗，两方面都对较少排放温室气体有很大的贡献。部分电子产品甚至可利用感测功能应对供电系统的突然变化，灵活调整操作避开高峰用电时段。例如，部分电热水炉的家电、产品设有时延功能，可将正常操作延迟至高峰时段之后。    事实上，电能的流动过程就像一条链条，从电源的产生，到电源的输送，再最终到各种不同的电能消费。每个环节部有功率变换器，每次功率变换就意味着能源损耗。为了把损耗降到最低，必须在各种不同的化解采用不同的器件和芯片。据统计，在我们采用电力设备将初始的能源材料成为电能后，51电能消

4、耗在电机驱动上，照明占据了19的电能，加热和制冷以及IT应用的电力消耗分别有1 6和1 4。见图1。    “每一个分类应用都有很大的节能空间。”Fairchild中国及东南亚地区销售副总裁陈坤和说：“如果把所有的单相AC电机换成可变速电机，可节省多达40的电量；采用高效率的开关电源能带来35的电能节省；用CFL照明代替白炽灯泡，单单照明应用就可减少75的电能，如果进一步使用LED带来的能效会更高。”电机驱动：迈向电子控制    全球一半以上的电力消耗是用于电机驱动，由电机驱动的电器遍布于生活的每一个角落，例如，空调、洗衣机、电梯、电

5、动自行车、跑步机等等。因此，效率低下的电机带来极大的电量浪费，根据EPRI、ACEEE、IMSresearch多家机构的综合估算，每年约有73亿美元的电能因为低驱动效率而浪费掉。    随着美国、欧盟和中国等主要市场对能效规范越来越严格以及能源价格上升带来的市场压力，采用高效的电子控制电机已经势在必行。在韩国，如果1 00万台40hp的电机转为采用高效能电机，每年总体电能消耗将下降2。因为，从非逆变器交流驱动转用逆变控制驱动能够提高20的能效，而由逆变器驱动的无刷电机(BLDC)可节能多到40。    电机控制电子化优势很多。据陈坤和

6、介绍，因为无刷直流及开关磁阻电机需要电子控制来产生转矩，而变频控制让交流感应电机可以变速运作。此外，许多应用都要求对所控制的过程中的一个或者多个参数进行专门控制，例如卷扬系统(Winding System)中可能使用恒力矩来提供张力，这就要求精确的速度、转矩和功率控制，这些只有采用电子控制才能实现。而且，电子控制可让交流感应、无刷直流、以及开关电磁阻电机进行动态微调，以满足不断增长的电机应用需求，并提供更高的效率。而如果采用功率因素校正(PFC)技术，电子控制就能够从电力线路获取能量，减少电网的负担。    陈坤和介绍了Fairchild的一款200W无刷直流电机

7、产品FalconEye，因为采用了PFC技术功率因数超过了95，功率级(power stage)使用了MotionSPM(智能功率模块)从而简化设计降低BOM成本。电源采用的是绿色FPS和光隔离误差放大器，整流器是600V的IGBT。空调：从感应电机转向永磁电机    2008年中国空调机的出货量预计是6 000万台，而到2011年将接近7 000万台，其中只有500万台是变频空调，不到1O。因此作为电机控制的典型应用，空调的节能空间非常大。表1是中国和欧洲空调机的能效标准对比。中国新的能效标准将在2009年3月份实施，原来计划是1月份。能效标准会从入门级5级26

8、升到2级32。变频空调能效比的标准也在制定中，很快会实施。据IR中国应用中心高级经理李明透露，变频空调能效比应该是3O，3级是39。    虽然空调是属于制冷，但全部都是靠压缩机、电机来实现的。如果从感应电机转为永磁电机，采用内线磁棒式的永磁电机，电能损耗可以从1 3降到48。另外还可以采用永磁电机控制系统和永磁电机调速。IR的iMotion永磁电机控制综合平台是一个永磁电机调速平台，它集成了数字控制器、模拟接口和功率半导体，并且通过固件、算法和软件工具对家用电器中的永磁同步电动机(PMSM)进行无传感器变速电动机控制。iMotion平台可以用于空调室外机的压缩机

9、和风机的控制，两台电动机用无传感器PM正弦波控制；由于采用先进的控制算法，可以使用单转子压缩机。    作为iMotion平台的核心智能电机控制芯片组，IRMCK300系列包含2个重要的组成部分，MCE和一个8位MCU组成的混合型控制IC。电动机控制引擎(MCE)针对永磁电机传感器的控制算法，预先写好控制算法，以硬件的方式实现无传感器永磁电动机控制和功率因数校正控制。空调控制系统由三部分组成，一个是60MIPS的8051 8位MCU；一个运动控制引擎(MCE)，是一个可配置控制电路模块；还有一个模拟信号引擎(ASE)包括信号处理和12位的ADC。运动控制引擎完全是一个模块式的芯片，要组成一个控制算法的时候，只需要把其中提供的功能模块通过IR提供的工具连接起来就可以。例如，PI调节器，滤波器，可以通过软件工具连成希望达成的控制算法，不需编写底层软件。    随着政府对空调能耗的规范越来越严格，在今后两年，空调机的COP(制冷机的性能系数)将提