人類對(duì)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(duì)環(huán)境的影響。其中一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)，美國只有 5% 的市場(chǎng)正在為 HVAC 壓縮機(jī)進(jìn)行變頻。另一方面，中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾乎 100% 的逆變器，而歐洲約為 65%，因?yàn)樗麄冇懈鐚?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的法規(guī)。

好消息是美國已經(jīng)意識(shí)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(jí)于 2019年夏季生效。

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

美國能源部一項(xiàng)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(píng)級(jí)。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(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)際額定功率的 50% 運(yùn)行，從而減少 90% 的能耗。以實(shí)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(gè)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(shí)際上會(huì)持續(xù)更長時(shí)間。這背后的原因是，當(dāng)設(shè)備只有一種速度時(shí)，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(shí)，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(shí)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(duì)制造商來說具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵S多制造商沒有內(nèi)部電力電子團(tuán)隊(duì)。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(dòng)器和永磁或無刷直流電機(jī)。事實(shí)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(gè)典型的逆變器由六個(gè)開關(guān)、三個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器或一個(gè)三相逆變器驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)電機(jī)控制 IC、電流傳感器/分流器和一個(gè)輔助電源組成。

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

制造商面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是成本。將新技術(shù)添加到設(shè)備中會(huì)使成本提高 15% 到 20%。這可能是提高能源效率的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，因?yàn)橘徺I新洗衣機(jī)或冰箱的消費(fèi)者可能會(huì)拒絕購買價(jià)格高出 15% 至 20% 的洗衣機(jī)或冰箱，并且可能會(huì)選擇更便宜的版本。它將退稅作為激勵(lì)消費(fèi)者抵消成本并啟動(dòng)能源之星趨勢(shì)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)這些效率提高的驅(qū)動(dòng)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(shí)間半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。這項(xiàng)創(chuàng)新徹底改變了市場(chǎng)，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(shì)現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕募矣秒娖鳌ｋS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(huì)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(chǎng)的解決方案。

對(duì)于在某些新技術(shù)方面不具備專業(yè)知識(shí)的制造商來說，這可能會(huì)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(shí)至關(guān)重要的原因。半導(dǎo)體合作伙伴傾向于創(chuàng)建針對(duì)特定應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)解決方案。這些參考設(shè)計(jì)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(qǐng)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(shí)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?cè)絹碓疥P(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(duì)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(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理

審核編輯 黃昊宇