1 引言
為提高工業(yè)、消費品和汽車行業(yè)更加有效地使用，現(xiàn)有能源比以往任何時候都更加重要。當今，能夠最大限度降低能源供應(yīng)各個環(huán)節(jié)的功率損耗，最大限度節(jié)省能源是各個行業(yè)或領(lǐng)域首當其沖的指標。需要先迸有效且實用的節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用的重要領(lǐng)域有：用電、發(fā)電可再生能源、能量轉(zhuǎn)換中的功率半導(dǎo)體，汽車汽油機燃燒控制系統(tǒng)和輸電低損耗配電網(wǎng)，以及能源效率最優(yōu)化提高系統(tǒng)能效比等。為此，本文將主要對用電領(lǐng)域、汽車行業(yè)中汽車汽油機燃燒控制系統(tǒng)及碳化硅二極管利于提高太陽能系統(tǒng)的效率等先迸有效且實用的節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用作說明。
2 用電領(lǐng)域中有效節(jié)能方案
到2030年，全球用電量將增加一倍，達到30萬億度。節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域包括電機、照明系統(tǒng)和電子產(chǎn)品。為同時滿足上述三個領(lǐng)域的節(jié)能需求，即：需采用電子鎮(zhèn)流器替代磁性鎮(zhèn)流器可以將照明系統(tǒng)的功耗降低25%；采用微控制器和功率半導(dǎo)體對電機進行控制，可以將電動設(shè)備的功耗降低20%至30%；在空調(diào)系統(tǒng)中配備變頻器可以使其能源效率提升30%到40%，以及家用電器領(lǐng)域，采用電磁灶替代電爐可以節(jié)約大約25%的電能。
在此，僅對采用電子鎮(zhèn)流器替代磁性鎮(zhèn)流器可將照明系統(tǒng)的功耗降低25%與采用微控制器和功率半導(dǎo)體對電機進行控制作闡述。并以應(yīng)用L6574的新型可調(diào)光節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流技術(shù)與調(diào)光螢光燈鎮(zhèn)流器控制芯流片及實現(xiàn)各種電子設(shè)備的節(jié)能化的可調(diào)式開關(guān)穩(wěn)壓器為例作重點分析。
2.1 新型可調(diào)光節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器
新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器應(yīng)運而生。目前隨著能源問題日益嚴重，調(diào)光技術(shù)在照明應(yīng)用中得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前大多數(shù)調(diào)光器以可控硅為主，這種調(diào)光器在純阻性負載（如白熾燈）時能很穩(wěn)定地工作，因為可控硅可以在正弦波的任意點被觸發(fā)導(dǎo)通直到正弦電壓接近零的時候關(guān)斷。在這樣的系統(tǒng)中，白熾燈可以很平滑地實現(xiàn)從幾乎是0到100%的調(diào)光。而節(jié)能燈由于其發(fā)光效率高、無頻閃等優(yōu)點在很多場合早已替代白熾燈。但是由于節(jié)能燈的負載特性，在應(yīng)用于調(diào)光系統(tǒng)時就需要對其電路進行調(diào)整。于是新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器應(yīng)運而生。
（1）傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)的不足
普通的節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器由整流橋、儲能電容、半橋、諧振電路組成，輸入電流只有在電壓峰值附近給儲能電容充電，如圖1所示。如果這樣的節(jié)能燈與調(diào)光器直接相連，可控硅只能在輸入電壓高于儲能電容上的電壓時被觸發(fā)才能導(dǎo)通，此時電容電壓瞬間被充到峰值電壓后，可控硅斷開。
這樣可控硅只能在90度-180度之間被觸發(fā)，此時鎮(zhèn)流器的母線電壓會有所調(diào)節(jié)，一定程度上達到調(diào)光的目的，但光輸出會閃爍不定。
（2）新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器
為了配合調(diào)光器的使用，新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器在圖1的基礎(chǔ)上增加一個單級PFC電路，這樣可以加大電流的導(dǎo)通角，理論上可使可控硅在0度-180度之間的任意點都可以被觸發(fā)導(dǎo)通，且一直到正弦電壓接近零的時候關(guān)斷，這樣就擴大了調(diào)光范圍。圖2為新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器主電路結(jié)構(gòu)。
其中虛線框A是單級PFC電路（主要包括Cfl，Cf2，L1，Dbl，Db2，S1，S2以及Cb），實線框B是傳統(tǒng)的半橋諧振電路（包括C1，S1，S2，Cb，Lr，Cr以及負載節(jié)能燈）。由于半橋諧振電路比較普遍，下面將只介紹單級PFC電路的運行狀況。
（3）PFC電路的工作過程
為簡化分析，作以下假設(shè)：①忽略開關(guān)的死區(qū)時間，開關(guān)S1、S2占空比各為0.5；②開關(guān)頻率足夠高，電容Cfl/Cf2上的電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)恒定；③電容C1上的電壓始終高于輸入交流電壓。
圖3給出了在一個開關(guān)周期中流過電感L1的電流從t0到t4的四個階段。
從上面圖3可以看出，這個PFC電路實際是由兩個升壓電路構(gòu)成，電感L1的電流雙向工作，且工作在臨界斷續(xù)模式。
（4）基于L6574芯片應(yīng)用的調(diào)光技術(shù)
基L6574芯片是意法半導(dǎo)體公司的高性能鎮(zhèn)流器驅(qū)動器,被設(shè)計為離線式600V雙極-互補金屬氧化物半導(dǎo)體，屬于電子節(jié)能燈鎮(zhèn)流器半橋型轉(zhuǎn)換器。為了更好地調(diào)光，除了加入PFC電路之外，還必須加入了L6574芯片的采樣及控制電路，圖4為L6574芯片的應(yīng)用調(diào)光控制示意圖。
采樣燈電流及調(diào)光器后面的輸入電壓的平均值，通過一定的比例調(diào)整后利用L6574內(nèi)的誤差放大器對開關(guān)S1/S2的頻率進行調(diào)整，從而使得諧振電路的阻抗變化對燈進行調(diào)光。
另外通過調(diào)節(jié)調(diào)光器，鎮(zhèn)流器的輸入電壓會下降，從而使電容C1上的母線電壓降低，同樣可以實現(xiàn)調(diào)光的作用。因此，這是調(diào)壓、調(diào)頻雙重作用下的調(diào)光，可以使調(diào)光更加平滑、穩(wěn)定。
圖5為鎮(zhèn)流器的輸入電壓、電流波形，由此圖可以看到可控硅在任意點都可以導(dǎo)通。另外，可以看到電流在峰值附近會有一個尖峰（直接由交流輸入電壓給C1充電引起的），這雖然會影響到功率因數(shù)，但是在這個應(yīng)用中它可以保證電容C1上的電壓不會因為過高而失控。
使用這種新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的節(jié)能燈，可以直接替代白熾燈，很好地配合傳統(tǒng)調(diào)光器一起使用。20%-100%的調(diào)光范圍使它在節(jié)能方面發(fā)揮很大的優(yōu)勢。
2.2 新型的調(diào)光螢光燈鎮(zhèn)流器控制IC是節(jié)能燈使用的可靠保證
IRS2530D和IRS2158D為600V控制IC。IRS2530D DIM8是一種采用緊湊型8管腳半橋式驅(qū)動器的線性調(diào)光鎮(zhèn)流器控制IC。它只需要幾個小型外部元件，顯著地簡化和縮小了電路設(shè)計，同時可實現(xiàn)10%的調(diào)光系統(tǒng)性能。
其IRS2530D控制IC采用IR的專利鎮(zhèn)流器和高壓技術(shù)。一個高壓管腳可檢測半橋電流和電壓，以實現(xiàn)必要的鎮(zhèn)流器保護功能；DC調(diào)光輸入電壓基準與AC燈電流反饋相結(jié)合，可以實現(xiàn)單管腳調(diào)光；IRS2530D還具有內(nèi)部非零電壓切換保護和內(nèi)部振幅因數(shù)保護，防止燈泡故障損壞鎮(zhèn)流器。圖6為IRS2530D與節(jié)能燈連接應(yīng)用的示意圖。
IRSS2158D是16管腳熒光燈調(diào)光鎮(zhèn)流器控制IC，適用于需要調(diào)光性能低于10%的高端應(yīng)用。IRS2158D是一個完全集成、充分保護的600V鎮(zhèn)流器控制IC，適用于驅(qū)動各種熒光燈。該器件具有全面的保護功能，包括可編程半橋過流保護、可編程預(yù)熱和運行頻率、可編程預(yù)熱時間和死區(qū)時間、閉環(huán)半橋點火電流調(diào)整、可編程報廢保護、欠壓保護和調(diào)光低輸入補償運算放大器和電流或功率控制。此外，新器件還具有報廢范圍比較器管腳和內(nèi)部事件電流檢測上/下故障計數(shù)器，以滿足T5燈泡和多燈泡鎮(zhèn)流器的需要。
盡管節(jié)能燈（CFL）在總市場中的比例仍然不及白熾燈的1/3，但其處在不斷增長的態(tài)勢，而白熾燈則不斷下降。在節(jié)能燈的市場中，無調(diào)光的CFL受到越來越大的限制，而可調(diào)光的CFL能夠進—步節(jié)能30%。但因其生產(chǎn)難度大、成本高，市場推廣速度也比較緩慢。而IR的新型的節(jié)能燈調(diào)光鎮(zhèn)流器控制lC IR2530D和IR2518D能夠以更簡單、更低的成本和更高的可靠性加快可調(diào)光CFL的市場發(fā)展速度。
2.3 采用微控制器和功率半導(dǎo)體對電機進行控制，將電動設(shè)備的功耗降低20%至30%方案
可實現(xiàn)各種電子設(shè)備節(jié)能化的方案，以最大輸入電壓為35V的可調(diào)式開關(guān)穩(wěn)壓器BD9013KV為例進行說明。
控制器型開關(guān)穩(wěn)壓器IC產(chǎn)品能直接驅(qū)動功率MOSFET，因此，即使是在大電流負荷的情況下也能實現(xiàn)非常簡單的電路設(shè)計和高電源轉(zhuǎn)換效率。作為進一步推進電子設(shè)備節(jié)能化的“耀眼光點”，也可為實現(xiàn)“綠色設(shè)計”做出貢獻。其典型的是ROHM的BD9013KV可調(diào)式開關(guān)穩(wěn)壓器。
其控制器型開關(guān)穩(wěn)壓器IC的主要指標：具有寬輸入電壓范圍為3.9V-35V；待機電流為0μA；內(nèi)含高精度基準電壓源為0．8V；振蕩頻率（可調(diào)）為250kHz-550kHz（可與外部信號的頻率同步）；開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端可使用陶瓷電容器；內(nèi)置通過串連外部電阻可進行調(diào)節(jié)的過電流保護電路—有2路輸出電路。其典型芯片為BD9013KV型，而引腳和功能以及與外部連接見圖7所示。它可用于同步整流與直接驅(qū)動，具有96%的超高效率。其功能有降壓、升壓及升降壓等3種。
3 汽車行業(yè)中汽油機燃燒控制技術(shù)節(jié)能方案分析
節(jié)能的另一個亮點和熱點就是汽車汽油機燃燒控制與汽車照明設(shè)備（頭部、車內(nèi)照明）等新興應(yīng)用領(lǐng)域。在此，僅對汽油機燃燒控制技術(shù)解決方案作分析。
隨著人們對降低燃油消耗和車身重量以及可靠性和安全性提出更高要求的同時，在汽車中引進創(chuàng)新設(shè)計勢在必行。而如今的微控制器、功率半導(dǎo)體和傳感器可以滿足所有這些要求。因為，如壓力和燃油傳感器可以連續(xù)監(jiān)控空燃比，而微控制器可以在幾分之一秒內(nèi)判定最佳的噴油和點火時間。眾多汽車部件的運轉(zhuǎn)都要依靠電力，其中包括電機（燃油泵、電動升降車窗、電動人窗等）、照明設(shè)備（頭部、車內(nèi)照明）、空調(diào)和暖氣系統(tǒng)等等。由于交流發(fā)電機提供電源的這些組件增加了汽車的耗油量，應(yīng)用汽車功率組件可以幫助提高這些系統(tǒng)的效率。在此僅對汽油機燃燒控制技術(shù)解決方案作分析。
3.1發(fā)展帶來的困擾
汽車產(chǎn)量持續(xù)的發(fā)展面臨著困擾，降低燃油消耗量和二氧化碳排放將成為汽車制造商要解決的主要問題。汽油機將采用缸內(nèi)直噴、電輔助增壓、電動氣門、可變壓縮比、停缸等技術(shù)，其最終方案將采用綜合汽油機和柴油機優(yōu)點的燃燒控制技術(shù)。這對汽油機電子控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。而高性能的32位處理芯片TriCore，還提供了高集成度智能功率驅(qū)動芯片和通信芯片，為完備的發(fā)動機控制系統(tǒng)解決方案作了鋪墊,以達到汽車制造未來的需求。
目前可以提供在動力系統(tǒng)電控單元中從主控單片機、功率驅(qū)動、傳感器、通訊、ASIC等一系列完善的產(chǎn)品，于是呈現(xiàn)出完備的發(fā)動機控制系統(tǒng)解決方案.。其中主控制芯片采用了TriCore，它是一個32位的集成了微控制器、DSP處理器構(gòu)架的超標量體系結(jié)構(gòu)，它擁有快速的中斷響應(yīng)，對于成本敏感的實時嵌入性系統(tǒng)作了優(yōu)化，是性價比非常好的下一代車用控制器。
3.2 完備的發(fā)動機控制系統(tǒng)的主控制芯片特點
（1）32位高性能CPU，集成了乘法加法運算器、浮點運算器、高性能片內(nèi)外設(shè)總線、位控制能力和靈活的電源管理。
（2）豐富的片內(nèi)存儲單元，1.5M-2M的PFLASH、16K的SPRAM、56K的LDRAM、32K的DFLASH，此外，還有TriCore獨有的外設(shè)處理器存儲區(qū)。
（3）豐富的中斷資源256級中斷優(yōu)先級、103個中斷節(jié)點請求；CPU和PCP具有獨立的中斷服務(wù)器。
（4）具有外設(shè)處理器功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、中斷服務(wù)和基本運算等功能。
（5）DMA，具有獨立的DMA通道、32bit尋址，減輕了CPU的負擔。
（6）通用時鐘陣列GPTA
可以基于GPTA產(chǎn)生的并行高速PWM，可以通過MSC來直接管理功率驅(qū)動器件，不需要軟件參與。
3.3 高集成度智能功率驅(qū)動芯片用于發(fā)動機解決方案
高集成度智能功率驅(qū)動芯片在發(fā)動機中有以下諸方面的應(yīng)用：
（1）在電子節(jié)氣門和EGR（廢氣再循環(huán)）閥門控制中，提供了智能H-Bridege驅(qū)動芯片TLE8209，芯片集成了過流保護、故障診斷和SPI接口等功能；
（2）在直噴汽油機噴嘴驅(qū)動電路中提供了能夠?qū)崿F(xiàn)峰值/保持反饋控制的芯片TLE6270；
（3）在電磁閥的驅(qū)動芯片中提供了具有英飛凌公司獨有的微秒技術(shù)的高集成度智能功率驅(qū)動片F(xiàn)LEX10/12芯片，可實現(xiàn)多端口的驅(qū)動和診斷功能；
（4）電源管理方面，提供了集成硬件看門狗、3個DC/DC模塊和多個傳感器電源的智能電源芯片TLE7368：
（5）在通信方面提供了CAN接口芯片TLE6251DS和LIN接口芯片TLE7259G。
上述發(fā)動機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，如英飛凌的GDI發(fā)動機控制系統(tǒng)解決方案就是典型一例。
4 發(fā)電領(lǐng)域碳化硅二極管的引入是利于提高太陽能系統(tǒng)效率的新技術(shù)
全球能源消費的39%為用電，隨著可再生能源（如太陽能發(fā)電廠和風(fēng)力發(fā)電場）不斷發(fā)展，分布式發(fā)電將成為整個電力供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著常規(guī)資源的使用成本不斷上升，可再生能源的比例將繼續(xù)上漲。據(jù)多家機構(gòu)預(yù)計，到2030年，可再生能源在全球能源消費總量中所占的份額將大幅上升,這是由于國內(nèi)外已經(jīng)意識到了太陽能的優(yōu)點。為此，正全力推動商業(yè)和個人使用太陽能。許多著名制造廠商推出的芯片和模塊已為風(fēng)力、水力和太陽能等可再生能源的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。但是如何利于提高太陽能系統(tǒng)的效率卻是當今設(shè)計人員所關(guān)注的焦點。由于采用SiC肖特基二極管可使整個太陽系統(tǒng)效率得以提高，許多太陽能設(shè)備制造商紛紛開始轉(zhuǎn)向這一技術(shù)的應(yīng)用。
在此僅對太陽能發(fā)電技術(shù)采用碳化硅二極管助力于提高太陽能系統(tǒng)的效率作分析。
（1）碳化硅二極管取代DC鏈升壓電路所使用的硅（SiC）PIN設(shè)計的技術(shù)特征
用Cree公司的1200V SiC肖特基二極管取代DC鏈升壓電路所使用的硅（SiC）PIN設(shè)計，己從國外逐步迸入國內(nèi),將很快出現(xiàn)在太陽逆變器領(lǐng)域。
眾所周知,太陽能板收集太陽能能量，將其轉(zhuǎn)換為正向DC電壓。該電壓隨太陽能板上接受太陽光的光強而變化。利用高頻下的升壓式轉(zhuǎn)換器開關(guān)，該電壓可以提升至一個固定的DC電壓。SiC肖特基二極管可以消除升壓二極管的開關(guān)損耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的導(dǎo)通損耗。這將顯著提高升壓電路的效率（見圖8所示）。然后，一個逆變器將固定DC電壓轉(zhuǎn)變成固定頻率的可用AC電壓。SiC肖特基二極管可以消除這部分電路中的續(xù)流二極管的開關(guān)損耗，同時可以降低IGBT導(dǎo)通損耗，逆變器效率也就隨之顯著提高了。圖8中，左邊的電路顯示采用SiPIN二極管、帶緩沖電路（虛線框）的升壓電路，而右邊的電路則顯示了采用SiC二極管的升壓電路（見圖8右圖的園形所示），沒有恢復(fù)電流就無需緩沖電路，使電路變得更加有效簡單。
其10A 600VSiC肖特基二極管與10ASi二極管等效元件的Vf與If器件特性對比，SiC器件的溫度是獨立的，而且沒有反向恢復(fù)電流。
上述基于碳化硅二極管（SiC肖特基）逆變器典型的平均效率接近96%。利用一個更加有效的系統(tǒng)，太陽能板提供的能量可以更有效地轉(zhuǎn)換為可用電能。采用SiC器件，逆變器的平均效率有可能提高到97．5%。這相當于減少了25%的逆變器損耗。考慮到太陽能系統(tǒng)至少需要工作30年，即意味著在節(jié)約能源方面有相當大的改進，通過降低溫度，系統(tǒng)也將具備更高的可靠性。
（2）應(yīng)用趨勢
上述SiC肖特基二極管如Cree公司de產(chǎn)品為典型代表。如今太陽能產(chǎn)品典型的運行效率為15%-20%。正是由于SiC肖特基二極管使升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器對系統(tǒng)的能量效率產(chǎn)生最大的影響。當今SiC二極管制造商，己從目前的10A-20A額定值向50A、100A及更高額定電流的器件擴展，如Cree公司己有1200V50A的商用器件。
