功率半導(dǎo)體在提高家電效率方面的作用

人類對地球的影響是不可否認(rèn)的，全球正在努力在我們享受的便利設(shè)施和奢侈品之間取得更好的平衡，并減少對環(huán)境的影響。其中一項運(yùn)動是通過能源之星效率等標(biāo)準(zhǔn)來提高家用電器的效率。美國在執(zhí)行新的能效標(biāo)準(zhǔn)方面歷來落后。例如，現(xiàn)在，如果您查看這些法規(guī)生效之前的 HVAC 壓縮機(jī)市場，美國只有 5% 的市場正在為 HVAC 壓縮機(jī)進(jìn)行變頻。另一方面，中國已經(jīng)實現(xiàn)了幾乎 100% 的逆變器，而歐洲約為 65%，因為他們有更早實現(xiàn)這一目標(biāo)的法規(guī)。

好消息是美國已經(jīng)意識到提高效率的必要性，并且正在努力追趕。許多標(biāo)準(zhǔn)要么最近頒布，要么將在不久的將來頒布，包括：

熔爐效率等級于 2019年夏季生效。

HVAC 壓縮機(jī)EE 法規(guī)將于 2023 年生效，同時淘汰消耗臭氧層的制冷劑。

美國能源部一項旨在改善吊扇能耗的新舉措展示了如何研究和建立上述法規(guī)。

如果您回顧幾年前，洗衣機(jī)使用的是所謂的永久分裂電容器電機(jī)。這些電機(jī)的總體效率約為 60%。在過去幾年中，我們開始看到越來越多的洗衣機(jī)通過過渡到效率約為 80% 的永磁體或 BLDC 電機(jī)而獲得能源之星評級。隨著這些類型的電機(jī)技術(shù)的引入，您還必須為這些電機(jī)加入某種類型的驅(qū)動器，稱為逆變器。

這種新型電機(jī)技術(shù)本身就更高效。隨著逆變器的引入，可以實現(xiàn)變速電機(jī)控制，進(jìn)一步提高效率并幫助滿足能源之星的要求。以 HVAC 系統(tǒng)為例，歷史系統(tǒng)有一個單速風(fēng)扇，因此無論需要冷卻或加熱負(fù)載，它始終以相同的速度運(yùn)行。通過引入變速電機(jī)功能，電機(jī)可以以實際額定功率的 50% 運(yùn)行，從而減少 90% 的能耗。以實際額定功率的 85% 運(yùn)行的電機(jī)可減少 50% 的能耗。

逆變器還有另一個好處：由于它能夠以可變速度運(yùn)行電機(jī)以滿足加熱/冷卻負(fù)載的需求，因此設(shè)備實際上會持續(xù)更長時間。這背后的原因是，當(dāng)設(shè)備只有一種速度時，它運(yùn)行得越來越熱。這是典型的變頻冰箱，當(dāng)您第一次插入新冰箱時，它將在其生命周期內(nèi)以其額定功率的 20% 運(yùn)行，減去最初的兩小時冷卻周期。這有助于提高壓縮機(jī)和冰箱的使用壽命，并通過提高輕負(fù)載效率顯著節(jié)省能源。

這種向逆變器的轉(zhuǎn)變對制造商來說具有挑戰(zhàn)性，因為許多制造商沒有內(nèi)部電力電子團(tuán)隊。他們的專長在于知道如何制造機(jī)電系統(tǒng)。直到幾年前，電器還沒有逆變器驅(qū)動器和永磁或無刷直流電機(jī)。事實上，用戶界面之外基本上沒有半導(dǎo)體內(nèi)容。隨著變頻電機(jī)控制的引入，當(dāng)前電器的內(nèi)容發(fā)生了巨大變化。一個典型的逆變器由六個開關(guān)、三個半橋驅(qū)動器或一個三相逆變器驅(qū)動器、一個電機(jī)控制 IC、電流傳感器/分流器和一個輔助電源組成。

典型的逆變器由六個開關(guān)、三個半橋
驅(qū)動器或一個三相逆變器驅(qū)動器、一個電機(jī)控制 IC、
電流傳感器/分流器和一個輔助電源組成。

制造商面臨的另一個挑戰(zhàn)是成本。將新技術(shù)添加到設(shè)備中會使成本提高 15% 到 20%。這可能是提高能源效率的競爭劣勢，因為購買新洗衣機(jī)或冰箱的消費(fèi)者可能會拒絕購買價格高出 15% 至 20% 的洗衣機(jī)或冰箱，并且可能會選擇更便宜的版本。它將退稅作為激勵消費(fèi)者抵消成本并啟動能源之星趨勢的動力。這種協(xié)同努力有助于開始教育消費(fèi)者了解能源之星電器是什么，以及證明增加的前期成本合理的終生擁有成本。

半導(dǎo)體行業(yè)是實現(xiàn)這些效率提高的驅(qū)動力，這不是第一次發(fā)生這樣的事情。看一下照明，從白熾燈泡到緊湊型熒光燈再到 LED 燈泡的轉(zhuǎn)變是這段時間半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。這項創(chuàng)新徹底改變了市場，并顯著減少了與房屋照明相關(guān)的能源使用。正是這些相同類型的趨勢現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕募矣秒娖?。隨著各行各業(yè)的能源法規(guī)越來越多，產(chǎn)品中的半導(dǎo)體含量將會增加。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步將再次引領(lǐng)潮流。

半導(dǎo)體行業(yè)從一開始就一直遵循美洲的潛在法規(guī)。隨著它們成為法律，半導(dǎo)體行業(yè)與 OEM 合作，以了解法規(guī)的含義以及他們可用于將下一代產(chǎn)品推向市場的解決方案。

對于在某些新技術(shù)方面不具備專業(yè)知識的制造商來說，這可能會令人生畏。這就是原始設(shè)備制造商與半導(dǎo)體公司建立真正的合作伙伴關(guān)系并利用他們的專業(yè)知識至關(guān)重要的原因。半導(dǎo)體合作伙伴傾向于創(chuàng)建針對特定應(yīng)用的參考設(shè)計解決方案。這些參考設(shè)計可以為 OEM 提供 80% 完整的硬件和軟件解決方案，由原理圖和電路板布局文件支持。然后，OEM 可以將其轉(zhuǎn)化為適合其最終申請人外形尺寸的解決方案，并根據(jù)其產(chǎn)品空間的應(yīng)用要求獲得所有權(quán)。擁有合適的半導(dǎo)體合作伙伴最終可以縮短他們的上市時間。

根據(jù)IEA的數(shù)據(jù)，電器占全球最終電力需求的 15%，或建筑物用電量的四分之一。隨著人們越來越關(guān)注氣候變化，電器的能源效率將成為抑制能源消耗從而降低溫室氣體排放的關(guān)鍵方法。在不久的將來，家電 OEM 可以期待更多的法規(guī)和能源標(biāo)準(zhǔn)。與合適的功率半導(dǎo)體公司合作對于跟上步伐至關(guān)重要。

—Michael Williams 是英飛凌科技美洲公司工業(yè)電源控制部高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理

審核編輯 黃昊宇