提升電機系統能效響應國家“雙碳”政策

黃文源

響應“雙碳”政策功耗問題不可忽視

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

為了實現上述目標，在當前自動化程度的不斷提高，電機的應用場合越來越多的大環境下，電機系統的功耗變得不可忽視，而這其中牽涉到兩個較為關鍵的因素，一個是器件本身的功耗，另一個是實現方法也就是解決方案的功耗。東芝半導體作為電機驅動集成電路的重要供應商之一，從產品開發設計、工藝、方案等方面始終致力于能耗的降低，從降低現存工藝產品的功耗到加快第三代半導體（SiC/GaN）的創新開發，不斷提升半導體器件對電子產品節能降耗的貢獻。這其中電機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控制能效

在電機控制部分，MCU（微控制器）是電機控制的核心單元，為了提高電機控制的精度和速度，矢量引擎被廣泛采用，傳統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硬件IP （只是產權），它能在沒有CPU（中央處理器）詳細指令的情況下處理矢量控制中的復雜計算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎執行從3相到2相的轉換、旋轉坐標轉換和那些反向轉換，它們是矢量控制中的主要計算。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。

第三代半導體帶來新的性能優勢

功率器件在各種電器中的應用越來越廣泛，特別是對于能效的要求不斷提高的環境下，電機驅動的變頻化比例越來越高，因此，從電機驅動的角度來說，對作為驅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-氧化物半導體場效應晶體管）在電動工具中的應用，通過采用東芝低導通電阻/低開關損耗/良好反向恢復特性的低壓MOSFET，使得電機的性能得到充分發揮。

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