1 引言
為提高工業(yè)、消費(fèi)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(shí)候都更加重要。當(dāng)今，能夠最大限度降低能源供應(yīng)各個(gè)環(huán)節(jié)的功率損耗，最大限度節(jié)省能源是各個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域首當(dāng)其沖的指標(biāo)。需要先迸有效且實(shí)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(jī)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(duì)用電領(lǐng)域、汽車行業(yè)中汽車汽油機(jī)燃燒控制系統(tǒng)及碳化硅二極管利于提高太陽(yáng)能系統(tǒng)的效率等先迸有效且實(shí)用的節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用作說(shuō)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(dá)到30萬(wàn)億度。節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域包括電機(jī)、照明系統(tǒng)和電子產(chǎn)品。為同時(shí)滿足上述三個(gè)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(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，可以將電動(dòng)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(duì)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(duì)電機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)各種電子設(shè)備的節(jié)能化的可調(diào)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為例作重點(diǎn)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(yùn)而生。目前隨著能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，調(diào)光技術(shù)在照明應(yīng)用中得到了越來(lái)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(fù)載（如白熾燈）時(shí)能很穩(wěn)定地工作，因?yàn)榭煽毓杩梢栽谡也ǖ娜我恻c(diǎn)被觸發(fā)導(dǎo)通直到正弦電壓接近零的時(shí)候關(guān)斷。在這樣的系統(tǒng)中，白熾燈可以很平滑地實(shí)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(wú)頻閃等優(yōu)點(diǎn)在很多場(chǎng)合早已替代白熾燈。但是由于節(jié)能燈的負(fù)載特性，在應(yīng)用于調(diào)光系統(tǒng)時(shí)就需要對(duì)其電路進(jìn)行調(diào)整。于是新型可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器應(yīng)運(yùn)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能電容上的電壓時(shí)被觸發(fā)才能導(dǎo)通，此時(shí)電容電壓瞬間被充到峰值電壓后，可控硅斷開(kāi)。
這樣可控硅只能在90度-180度之間被觸發(fā)，此時(shí)鎮(zhèn)流器的母線電壓會(huì)有所調(diào)節(jié)，一定程度上達(dá)到調(diào)光的目的，但光輸出會(huì)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(gè)單級(jí)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(diǎn)都可以被觸發(fā)導(dǎo)通，且一直到正弦電壓接近零的時(shí)候關(guān)斷，這樣就擴(kuò)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(jí)PFC電路（主要包括Cfl，Cf2，L1，Dbl，Db2，S1，S2以及Cb），實(shí)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(fù)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(jí)PFC電路的運(yùn)行狀況。
（3）PFC電路的工作過(guò)程
為簡(jiǎn)化分析，作以下假設(shè)：①忽略開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)S1、S2占空比各為0.5；②開(kāi)關(guān)頻率足夠高，電容Cfl/Cf2上的電壓在一個(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)周期中流過(guò)電感L1的電流從t0到t4的四個(gè)階段。
從上面圖3可以看出，這個(gè)PFC電路實(shí)際是由兩個(gè)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(dòng)器,被設(shè)計(jì)為離線式600V雙極-互補(bǔ)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L(zhǎng)6574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(guò)一定的比例調(diào)整后利用L6574內(nèi)的誤差放大器對(duì)開(kāi)關(guān)S1/S2的頻率進(jìn)行調(diào)整，從而使得諧振電路的阻抗變化對(duì)燈進(jìn)行調(diào)光。
另外通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)光器，鎮(zhèn)流器的輸入電壓會(huì)下降，從而使電容C1上的母線電壓降低，同樣可以實(shí)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(diǎn)都可以導(dǎo)通。另外，可以看到電流在峰值附近會(huì)有一個(gè)尖峰（直接由交流輸入電壓給C1充電引起的），這雖然會(huì)影響到功率因數(shù)，但是在這個(gè)應(yīng)用中它可以保證電容C1上的電壓不會(huì)因?yàn)檫^(guò)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(shì)。
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(dòng)器的線性調(diào)光鎮(zhèn)流器控制IC。它只需要幾個(gè)小型外部元件，顯著地簡(jiǎn)化和縮小了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)可實(shí)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(gè)高壓管腳可檢測(cè)半橋電流和電壓，以實(shí)現(xiàn)必要的鎮(zhèn)流器保護(hù)功能；DC調(diào)光輸入電壓基準(zhǔn)與AC燈電流反饋相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)單管腳調(diào)光；IRS2530D還具有內(nèi)部非零電壓切換保護(hù)和內(nèi)部振幅因數(shù)保護(hù)，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(gè)完全集成、充分保護(hù)的600V鎮(zhèn)流器控制IC，適用于驅(qū)動(dòng)各種熒光燈。該器件具有全面的保護(hù)功能，包括可編程半橋過(guò)流保護(hù)、可編程預(yù)熱和運(yùn)行頻率、可編程預(yù)熱時(shí)間和死區(qū)時(shí)間、閉環(huán)半橋點(diǎn)火電流調(diào)整、可編程報(bào)廢保護(hù)、欠壓保護(hù)和調(diào)光低輸入補(bǔ)償運(yùn)算放大器和電流或功率控制。此外，新器件還具有報(bào)廢范圍比較器管腳和內(nèi)部事件電流檢測(cè)上/下故障計(jì)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(chǎng)中的比例仍然不及白熾燈的1/3，但其處在不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而白熾燈則不斷下降。在節(jié)能燈的市場(chǎng)中，無(wú)調(diào)光的CFL受到越來(lái)越大的限制，而可調(diào)光的CFL能夠進(jìn)—步節(jié)能30%。但因其生產(chǎn)難度大、成本高，市場(chǎng)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(jiǎn)單、更低的成本和更高的可靠性加快可調(diào)光CFL的市場(chǎng)發(fā)展速度。
2.3 采用微控制器和功率半導(dǎo)體對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，將電動(dòng)設(shè)備的功耗降低20%至30%方案
可實(shí)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器BD9013KV為例進(jìn)行說(shuō)明。
控制器型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC產(chǎn)品能直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，因此，即使是在大電流負(fù)荷的情況下也能實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)和高電源轉(zhuǎn)換效率。作為進(jìn)一步推進(jìn)電子設(shè)備節(jié)能化的“耀眼光點(diǎn)”，也可為實(shí)現(xiàn)“綠色設(shè)計(jì)”做出貢獻(xiàn)。其典型的是ROHM的BD9013KV可調(diào)式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
其控制器型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC的主要指標(biāo)：具有寬輸入電壓范圍為3.9V-35V；待機(jī)電流為0μA；內(nèi)含高精度基準(zhǔn)電壓源為0．8V；振蕩頻率（可調(diào)）為250kHz-550kHz（可與外部信號(hào)的頻率同步）；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端可使用陶瓷電容器；內(nèi)置通過(guò)串連外部電阻可進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)電流保護(hù)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(jiàn)圖7所示。它可用于同步整流與直接驅(qū)動(dòng)，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(jī)燃燒控制技術(shù)節(jié)能方案分析
節(jié)能的另一個(gè)亮點(diǎn)和熱點(diǎn)就是汽車汽油機(jī)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(duì)汽油機(jī)燃燒控制技術(shù)解決方案作分析。
隨著人們對(duì)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(shí)，在汽車中引進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)勢(shì)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?yàn)椋鐗毫腿加蛡鞲衅骺梢赃B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(diǎn)火時(shí)間。眾多汽車部件的運(yùn)轉(zhuǎn)都要依靠電力，其中包括電機(jī)（燃油泵、電動(dòng)升降車窗、電動(dòng)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(jī)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(duì)汽油機(jī)燃燒控制技術(shù)解決方案作分析。
3.1發(fā)展帶來(lái)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(wèn)題。汽油機(jī)將采用缸內(nèi)直噴、電輔助增壓、電動(dòng)氣門(mén)、可變壓縮比、停缸等技術(shù)，其最終方案將采用綜合汽油機(jī)和柴油機(jī)優(yōu)點(diǎn)的燃燒控制技術(shù)。這對(duì)汽油機(jī)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(dòng)芯片和通信芯片，為完備的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)解決方案作了鋪墊,以達(dá)到汽車制造未來(lái)的需求。
目前可以提供在動(dòng)力系統(tǒng)電控單元中從主控單片機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)、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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)解決方案.。其中主控制芯片采用了TriCore，它是一個(gè)32位的集成了微控制器、DSP處理器構(gòu)架的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，它擁有快速的中斷響應(yīng)，對(duì)于成本敏感的實(shí)時(shí)嵌入性系統(tǒng)作了優(yōu)化，是性價(jià)比非常好的下一代車用控制器。
3.2 完備的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的主控制芯片特點(diǎn)
（1）32位高性能CPU，集成了乘法加法運(yùn)算器、浮點(diǎn)運(yùn)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(chǔ)單元，1.5M-2M的PFLASH、16K的SPRAM、56K的LDRAM、32K的DFLASH，此外，還有TriCore獨(dú)有的外設(shè)處理器存儲(chǔ)區(qū)。
（3）豐富的中斷資源256級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)、103個(gè)中斷節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求；CPU和PCP具有獨(dú)立的中斷服務(wù)器。
（4）具有外設(shè)處理器功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、中斷服務(wù)和基本運(yùn)算等功能。
（5）DMA，具有獨(dú)立的DMA通道、32bit尋址，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。
（6）通用時(shí)鐘陣列GPTA
可以基于GPTA產(chǎn)生的并行高速PWM，可以通過(guò)MSC來(lái)直接管理功率驅(qū)動(dòng)器件，不需要軟件參與。
3.3 高集成度智能功率驅(qū)動(dòng)芯片用于發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案
高集成度智能功率驅(qū)動(dòng)芯片在發(fā)動(dòng)機(jī)中有以下諸方面的應(yīng)用：
（1）在電子節(jié)氣門(mén)和EGR（廢氣再循環(huán)）閥門(mén)控制中，提供了智能H-Bridege驅(qū)動(dòng)芯片TLE8209，芯片集成了過(guò)流保護(hù)、故障診斷和SPI接口等功能；
（2）在直噴汽油機(jī)噴嘴驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片中提供了具有英飛凌公司獨(dú)有的微秒技術(shù)的高集成度智能功率驅(qū)動(dòng)片F(xiàn)LEX10/12芯片，可實(shí)現(xiàn)多端口的驅(qū)動(dòng)和診斷功能；
（4）電源管理方面，提供了集成硬件看門(mén)狗、3個(gè)DC/DC模塊和多個(gè)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，如英飛凌的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(yáng)能系統(tǒng)效率的新技術(shù)
全球能源消費(fèi)的39%為用電，隨著可再生能源（如太陽(yáng)能發(fā)電廠和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)）不斷發(fā)展，分布式發(fā)電將成為整個(gè)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(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2030年，可再生能源在全球能源消費(fèi)總量中所占的份額將大幅上升,這是由于國(guó)內(nèi)外已經(jīng)意識(shí)到了太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)。為此，正全力推動(dòng)商業(yè)和個(gè)人使用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能系統(tǒng)的效率卻是當(dāng)今設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的焦點(diǎn)。由于采用SiC肖特基二極管可使整個(gè)太陽(yáng)系統(tǒng)效率得以提高，許多太陽(yáng)能設(shè)備制造商紛紛開(kāi)始轉(zhuǎn)向這一技術(shù)的應(yīng)用。
在此僅對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)采用碳化硅二極管助力于提高太陽(yáng)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(jì)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(jì)，己從國(guó)外逐步迸入國(guó)內(nèi),將很快出現(xiàn)在太陽(yáng)逆變器領(lǐng)域。
眾所周知,太陽(yáng)能板收集太陽(yáng)能能量，將其轉(zhuǎn)換為正向DC電壓。該電壓隨太陽(yáng)能板上接受太陽(yáng)光的光強(qiáng)而變化。利用高頻下的升壓式轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)，該電壓可以提升至一個(gè)固定的DC電壓。SiC肖特基二極管可以消除升壓二極管的開(kāi)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(jiàn)圖8所示）。然后，一個(gè)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(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)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(jiàn)圖8右圖的園形所示），沒(méi)有恢復(fù)電流就無(wú)需緩沖電路，使電路變得更加有效簡(jiǎn)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(duì)比，SiC器件的溫度是獨(dú)立的，而且沒(méi)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(gè)更加有效的系統(tǒng)，太陽(yáng)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(dāng)于減少了25%的逆變器損耗。考慮到太陽(yáng)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(dāng)大的改進(jìn)，通過(guò)降低溫度，系統(tǒng)也將具備更高的可靠性。
（2）應(yīng)用趨勢(shì)
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(yáng)能產(chǎn)品典型的運(yùn)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(duì)系統(tǒng)的能量效率產(chǎn)生最大的影響。當(dāng)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(kuò)展，如Cree公司己有1200V50A的商用器件。
