传感器和数字控制在能效中的作用

市场上的一个主要趋势是为各种形状和尺寸的电子产品增加能源效率。电子产品也有新的法规来满足新的效率标准。因此，我们看到全球对下一代电器的需求，以满足更严格的效率和功耗要求。例如，HVAC 系统曾经对 PSC 电机进行简单的开/关控制。新联邦风机能源评级法规要求所有炉子都配备电子换向电机 （ECM） 电机，能耗降低 40%。

新设备具有变速控制或恒定气流控制等功能，以满足不断提高的效率标准。需要更改组件才能在新设备的设计和实施中启用这些功能。功率半导体器件、传感器和微控制器已广泛用于新电器中，以最大限度地减少功率损耗并提高能源消耗效率。

挑战在于整个能源供应链的复杂性增加，尤其是在绿色电网计划方面。新的绿色计划着眼于整个能源供应链，从使用碳化硅 （SiC） MOSFET启用风力涡轮机和太阳能逆变器以实现高效发电，到将能量存储在电池组中并以最小的功率损耗将电能输送到负载。

对大功率解决方案（例如大功率 EV 充电）的需求不断增长，这使长期存在的电网变得紧张；业界正在研究未来的解决方案，以缓冲电动汽车快速充电的峰值功率需求。随着行业从化石燃料转向移动性，需要对电动基础设施进行重大改进才能满足电动汽车的需求。如果没有对电网进行彻底检修——由于成本巨大，这不太可能——该行业需要找到方法避免在高峰使用期间使电网过载，这会导致诸如滚动停电以减少消耗等问题，如加利福尼亚州所见例子。

高效能源创造

绿色能源发电，例如风力涡轮机设计，必须提供最大的可用性以促进电网稳定性，这在本例中最适用于风力发电转换器。因此，电网稳定性取决于提供动态能力、卓越功能和卓越可靠性的功率半导体器件。

能源转换的原理在所有绿色系统中大致相同。来自一个或多个光伏 （PV） 面板的辐射和温度相关能量从直流电压转换为交流电压，以匹配当地电压和相位要求。他们还将利用最大功率点跟踪 （MPPT） 技术确保所有可用功率（取决于接收到的辐射）以最小的功率转换损耗从 PV 面板提取。

这在历史上是通过硅 MOSFET 器件实现的。随着 SiC 和氮化镓 （GaN） MOSFET 的进步，现在可以进一步改进高效的能源创造。

高效的能量储存和传输

风能和太阳能等可再生能源的缺点是风并不总是吹，太阳也不总是发光。即使天气配合，仍然存在将能量传输到电网的挑战，电网有时可能距离很远。这些挑战需要通过电池组和高效的电力传输系统进行高效的能量存储，以确保电网稳定性并减少电网电力传输过程中的能量损失。

最新的硅 MOSFET 技术与功率转换的创新数字控制相结合，可以实现高效的能量存储和传输，并通过采用新型宽带隙 （WBG） 器件（如 SiC 和 GaN MOSFET）进一步改进。

高效的能源消耗

一旦能量到达电网并到达家庭和商业建筑，还有更多机会提高效率。市场上的一个主要趋势是提高各种形状和尺寸的电子产品的能源效率。还有新的法规要求电子产品满足新的效率标准。这需要对这些系统的内容进行根本性的改变，从机电驱动到基于逆变器的电机驱动。

基于逆变器的电机驱动器在峰值负载时将效率提高 40%，并通过提供变速控制来进一步节省能源。使用 WBG 设备可提高效率并降低总体运营成本，同时也有助于保护环境。

得益于 SiC 和 GaN MOSFET 的进步，与最新的基于硅 MOSFET 的解决方案相比，从电网到电力计算机的系统功率转换效率可以提高 1% 到 3%。虽然就绝对百分比而言听起来并不多，但由于采用这些半导体技术而导致的功耗降低和成本节约对于大型能源用户来说意义重大，例如拥有大型服务器群的大型数据中心运营商。

传感器和数字控制在能效中的作用

高效的电能产生、传输和消耗需要通过数字技术进行智能控制和连接。通过添加 MCU 和 WiFi/BLE 解决方案，可以实现具有高级诊断和远程控制功能的高效智能电网。

从功耗的角度来看，雷达传感和温度传感等最新传感器技术也有助于提高能源效率。传感器向系统提供数据和信息，使控制器能够做出有关应用程序的决策。在通过各种传感器收集系统运行和环境信息后，MCU 会根据各种因素做出适当的决策，然后电源组件执行这些决策。

例如，传感器可以确定房间内是否太热，如果是，则调整 HVAC 温度设置。当传感器没有检测到人的存在时，例如在晚上或周末在商业办公楼，它可以关闭 HVAC 系统。只要有人走进房间，HVAC 系统就会进行必要的调整以实现最佳运行。通过采用最新的传感器技术和数字控制，可以显着降低整体功耗。

为电动汽车准备电网

在一个现实世界的例子中，看看高效的能源消耗和不断增长的电力需求如何结合在一起，我们可以检查电动汽车的兴起以及支持它们所需的基础设施。

根据国际能源署的最新预测，到本十年末，预计将有大约 1300 万辆电动汽车上路。为了满足需求，电动汽车充电市场正在研究快速充电系统的储能系统的实施。在典型配置中，会有一个能够在 45 分钟内为电动汽车充电的大功率充电器。问题是这种实施需要每个快速充电站 250 千瓦的电力。电网没有设置为支持这种类型的峰值功率。因此，需要具有能量存储和智能控制电力转换和分配的创新电动汽车充电系统。

储能通过本质上提供一个大型电池组来发挥作用，它在未来将成为相当于现在的加油站。该充电站将连接多个 250 千瓦的充电器，这将使人们能够非常快速地为车辆充电。这通常会给电网带来不可持续的峰值需求，但储能系统将充当缓冲器。例如，电网将以 250 千瓦的恒定速率进入能量存储系统，同时能够在持续的峰值活动期间提供兆瓦范围的输出。

这是能源存储的未来，您将看到它在全国范围内实施，以帮助延长现有电网基础设施的使用寿命。半导体对于电动汽车“加油站”设置中的智能电动汽车充电系统至关重要。最新的硅 MOSFET 技术和 WBG 器件的采用使电动汽车的电池能够高效快速充电，并最大限度地减少对电网的干扰。

发电、传输、储存和有效利用电力的过程涉及很多方面。找到与技术无关且可以帮助为您的应用程序设计和实施正确解决方案的合适合作伙伴至关重要。随着越来越多的高功率应用进入市场，了解如何弥补老化电网的缺点可以在实现关键规模部署方面发挥重要作用。功率半导体正在引领潮流，并利用硅技术的进步，包括最新的 WBG 设备、数字控制和传感器技术，以确保能够有效地为未来的一切提供动力，从发电到消费。

审核编辑：彭静