提升電機(jī)系統(tǒng)能效響應(yīng)國家“雙碳”政策

黃文源

響應(yīng)“雙碳”政策功耗問題不可忽視

隨著碳達(dá)峰和碳中和問題變得越來越重要，東芝集團(tuán)于2020年9月18日已經(jīng)獲得了SBT（Science Based Targets）認(rèn)定。SBT倡議組織認(rèn)定東芝到2030年度為止的溫室氣體減排目標(biāo)符合科學(xué)依據(jù)，并且符合《巴黎協(xié)定》中“將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2攝氏度以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5攝氏度以內(nèi)”的要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在當(dāng)前自動化程度的不斷提高，電機(jī)的應(yīng)用場合越來越多的大環(huán)境下，電機(jī)系統(tǒng)的功耗變得不可忽視，而這其中牽涉到兩個(gè)較為關(guān)鍵的因素，一個(gè)是器件本身的功耗，另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)方法也就是解決方案的功耗。東芝半導(dǎo)體作為電機(jī)驅(qū)動集成電路的重要供應(yīng)商之一，從產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、工藝、方案等方面始終致力于能耗的降低，從降低現(xiàn)存工藝產(chǎn)品的功耗到加快第三代半導(dǎo)體（SiC/GaN）的創(chuàng)新開發(fā)，不斷提升半導(dǎo)體器件對電子產(chǎn)品節(jié)能降耗的貢獻(xiàn)。這其中電機(jī)的無刷化便是其中的考量之一。

提升MCU性能有助于提高電機(jī)控制能效

在電機(jī)控制部分，MCU（微控制器）是電機(jī)控制的核心單元，為了提高電機(jī)控制的精度和速度，矢量引擎被廣泛采用，傳統(tǒng)的矢量控制需要消耗大量的軟件資源。如果矢量控制軟件占用了嵌入式存儲器的主要容量，因軟件資源不足會導(dǎo)致微控制器不能有效地工作。東芝在微控制器中引入了一個(gè)硬件IP （只是產(chǎn)權(quán)），它能在沒有CPU（中央處理器）詳細(xì)指令的情況下處理矢量控制中的復(fù)雜計(jì)算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎執(zhí)行從3相到2相的轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和那些反向轉(zhuǎn)換，它們是矢量控制中的主要計(jì)算。在矢量控制中與矢量引擎配合使用將會大大提高微控制器的性能。

第三代半導(dǎo)體帶來新的性能優(yōu)勢

功率器件在各種電器中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是對于能效的要求不斷提高的環(huán)境下，電機(jī)驅(qū)動的變頻化比例越來越高，因此，從電機(jī)驅(qū)動的角度來說，對作為驅(qū)動電路中的最主要器件的MOSFET的效率的要求也越來越高。

下圖的案例是東芝低壓MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）在電動工具中的應(yīng)用，通過采用東芝低導(dǎo)通電阻/低開關(guān)損耗/良好反向恢復(fù)特性的低壓MOSFET，使得電機(jī)的性能得到充分發(fā)揮。

在世界范圍內(nèi)，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展如火如荼，特別是第三代半導(dǎo)體在功率器件上的優(yōu)異表現(xiàn)引人關(guān)注。與硅（Si）相比，碳化硅（SiC）是一種介電擊穿強(qiáng)度更大、飽和電子漂移速度更快且熱導(dǎo)率更高的半導(dǎo)體材料。因此，與硅器件相比，當(dāng)用于半導(dǎo)體器件中時(shí)，碳化硅器件可以提供高耐壓、高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻。鑒于該特性，其將成為有助于降低能耗和縮小系統(tǒng)尺寸的下一代低損耗器件。