直击碳排放核心来源，看这些芯片如何造就高能效工业设备？
发布时间：2023-10-19 10:35
发布者：eechina
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碳减排带来的能效挑战 近年来，极端天气和地质灾害频发，究其根本原因是全球气候变暖。在此严峻的状况下，迫使我们要减少碳排放，加快向可持续发展转型。而能效提升是当下实现碳减排的最重要、最经济和最直接的路径。据国际能源署分析，预计到2050年之前，能效提升对于碳减排的贡献占到了约37%。 那么如何实现能效提升，又该从何处入手？本文将会给出答案。 工业设备能效升级助力工业碳排放减少 从2022全球碳排放数据来分析，电力和工业的碳排放占比高达68.2%；来自中国碳核算数据库（CEADs）的数据显示，我国去年电力和工业的碳排放占总排放量的84.5%。电力和工业占碳排放的大头，而电力生产环节也可以看作是工业应用的一大分类，因此要实现节能减排，首先要从工业类应用入手。 尤其是传统工业中大批的存量工业设备，例如电机、变频器、热交换机和锅炉等，由于设备生命周期很长，设备内部技术老旧，能效有着很大的提升空间。通过对于工业设备的升级，实现设备的效率提升，进而就能够提高整个工业生产环节的能效。 
图1：1970～2022全球碳排放数据（图源：Nature.com） 我国针对工业领域的能效提升，出台了密集的政策支持和规划建议，包括：十四五《工业绿色发展规划》、《工业能效提升行动计划》、《工业领域碳高峰实施计划》和《国家工业节能技术应用指南与案例（2022年版）》等。 
图2：工业能效提升行动计划（图源：CCTV） 其中在去年6月工信部和国家发改委等六部门联合印发的《工业能效提升行动计划》中指出，要鼓励企业围绕电机、变压器、锅炉等通用用能设备，持续开展能效提升专项行动，引导行业企业赶超能效“领跑者”，探索打造超级能效工厂。在此行动计划中，确立了高效用能设备的渗透目标：2025年新增高效节能电机占比达到70%以上；新增高效节能变压器占比达到80%以上；探索创建10家超级能效工厂。 而在《国家工业节能技术应用指南与案例（2022年版）》中，针对我国的十大工业应用领域，罗列出了几十个具体的工业设备能效提升案例，供企业学习效仿。 不谋而合，在去年11月，ABB和国际能源署等联合发起的“节能增效行动”，也分享了《工业节能增效手册》，列举出了10项企业降本减排的重要举措。其中第四条“安装高效电机”、第五条“使用变频器”、第七条“使用高效的热交换器”和第八条“用热泵代替锅炉”，皆与工业设备的升级换代相关。 
图3：工业领域10大增效举措（图源：ABB） 高效传动系统 在工业领域，传动系统将电能转化为动能，被广泛运用于各类应用。工业电力传动系统的主要组成包括电机、变频器和泵、风机或压缩机等。 国际电工委员会为电机制定了一系列国际能效（IE）标准，范围从IE1（标准能效）到IE5（超高能效）不等。据估计，将目前运行的3亿多个工业电机驱动系统升级为优化的高效设备后，全球用电量可以减少10%。 变频器可用于控制电机转速和转矩，对管理电机驱动系统所消耗的能量具有关键作用。通过变频器的精准控制，电机的能耗可以与所需工作量实现更密切匹配。据调研数据显示，安装变频器可以将电机驱动系统的节能效率提高30%。 高效热交换机 热传递对工业过程的节能增效至关重要，全球范围内几乎所有行业都使用热交换器进行供暖和制冷。全球高达2.5%的二氧化碳排放来自没有维护的热交换器，20％～50％的工业能源输入被以废热的形式损失；因此提高热交换器的性能并增加废热的回收利用环节，将会提高工业热传递过程中的能效。例如，采用新式紧凑型板式热交换器替换传统管壳式换热器，能源效率可提高25%。 热泵 作为燃料锅炉的替代，热泵被视为全球脱碳的关键。在工业领域中，该项技术不仅可以应用于空间供暖，还可以用于高达180摄氏度的工艺加热。相比燃煤锅炉，热泵可降低60%-80%的碳排放；即使将热泵使用的电力上游碳排放考虑在内，也比锅炉的二氧化碳排放量更低。 而除了上述提到的几个典型工业设备外，在厂房、仓储和其他工业设施中，还有大量的可以进行能效优化的设备。包括电力、照明和通风等系统的升级，也都能够有效降低能源的使用。 芯片技术推动工业设备能效升级 工业设备的能效提升，离不开其内部芯片技术的创新。尤其是在功率控制电路上的能效提升，才是推动整个工业应用迈向低碳化的基础。 采用宽禁带器件替代传统硅器件 对于功率电路的方案设计而言，最直接的能效提升方式，是采用宽禁带器件（GaN和SiC）取代传统的硅器件。其中SiC器件的耐压能力更强，而GaN器件的开关频率更高。采用宽禁带器件不仅可以显著减少损耗，而且对于系统功率密度、耐压等级、开关速度、耐高温性等也都大有裨益。 
图4：宽禁带器件的优势（图源：ROHM Semiconductor） 在低压场景中，以低功率DC/DC转换器为例，超过90%的转换效率是很常见的；然而在工业场景中，高电压、大电流的AC/DC转换器的效率还存在改善空间。而利用SiC功率模块替代传统IGBT模块，开关损耗就可以降低85%。 
图5：SiC模块提高能效（图源：ROHM Semiconductor） 在此为大家推荐来自ROHM Semiconductor的SiC功率模块系列产品。据悉，该系列产品通过ROHM独有的模块内部结构及散热设计优化，实现了高达600A额定电流，全系列额定电压达到了1,200V。因此，该系列产品非常适用于工业设备、大容量电源等大功率应用。 与普通的同等额定电流的IGBT模块相比，该系列产品的开关损耗降低了64%（芯片温度150℃时），这有助于应用的进一步节能。此外，高频驱动的特性使其系统电路的外围元器件进一步减少，并且有助于冷却系统的小型化。根据冷却机构中的损耗仿真计算，与同等额定电流的IGBT模块相比，使用SiC模块可使水冷散热器的体积减少88%。 关于此SiC模块系列，我们推荐的具体型号在贸泽电子官网的料号为“BSM180D12P2E002”，该模块在一个封装中集成了SiC SBD和SiC MOSFET。 隔离和能效兼得的DC/DC转换器 在工业设备中，输出侧的电压较高会危及人身安全，出于安全的目的，设备的输入侧和输出侧之间通常需要电气隔离。因此对于变压器这种常见设备而言，不能采用单一的稳压器电路，而必须要选择隔离式DC/DC转换器。 但隔离式DC/DC转换器的能效通常不及非隔离式DC/DC转换器的高，这是因为：首先变压环节会造成能效损失；第二，隔离栅导致其无法实现紧密控制，无法更好地调节瞬态性能；第三，隔离式DC/DC体积通常较大，相比非隔离式的离负载也就更远，连接电路的损耗也就更高。 那么有没有一种隔离式DC/DC，能够实现接近乃至媲美非隔离式DC/DC的能效呢？Bel Power Solutions的RDT-6Y系列DC/DC转换器就可以达到。该系列产品的输出功率为6W，具有14VDC至160VDC宽输入电压范围，I/O隔离测试电压高达3kVAC，工作温度范围-40°C至+105°C，采用行业标准DIP-24封装，效率高达83%。 在此系列产品中，我们推荐的具体型号在贸泽电子官网的料号为“RDT-6Y12”。 
图6：RDT-6Y的效率表现（图源：Bel Power Solutions） 更高转换效率的DC/AC电源 要用的直流电是第一步。将电网供电转换为工业设备使用的直流电，交流-直流电源是必不可少的。所以对于工业应用的能效提升，要将电网的交流电以最低损耗转换为可供设备使用。在此为大家推荐一款同样是来自Bel Power Solutions的电源成品——ABE1200工业交流-直流电源。 该系列产品的额定功率为1,200W，具有85VAC至305VAC宽输入电压范围和24VDC或48VDC单输出，其转换效率达到了94%。 除了高能效外，ABE1200系列还支持通过电源管理总线通信协议进行数字电源管理，多个电源可以并联以实现冗余和更高功率，通过内部ORing启用，还提供了电流共享功能。关于该系列产品，我们推荐的具体型号在贸泽电子官网的料号为“ABE1200-1T48”。 
图7：ABE1200系列交流-直流电源（图源：Bel Power Solutions） 结语 目前碳排放还未达到峰顶，而碳中和之路更是漫长。可再生能源对传统能源的完全替代尚需时日，但提高工业设备的能效，即刻就可以做起来，这将会对减少碳排放卓有成效。对于高能效的追求，将会一直贯穿在可持续发展过程之中，随着芯片技术发展而呈现出更高的价值。 |
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