1 引言 
    为提高工业、消费品和汽车行业更加有效地使用，现有能源比以往任何时候都更加重要。当今，能够最大限度降低能源供应各个环节的功率损耗，最大限度节省能源是各个行业或领域首当其冲的指标。需要先迸有效且实用的节能技术与应用的重要领域有：用电、发电可再生能源、能量转换中的功率半导体，汽车汽油机燃烧控制系统和输电低损耗配电网，以及能源效率最优化提高系统能效比等。为此，本文将主要对用电领域、汽车行业中汽车汽油机燃烧控制系统及碳化硅二极管利于提高太阳能系统的效率等先迸有效且实用的节能技术与应用作说明。 
2  用电领域中有效节能方案 
    到2030年，全球用电量将增加一倍，达到30万亿度。节能潜力最大的领域包括电机、照明系统和电子产品。为同时满足上述三个领域的节能需求，即：需采用电子镇流器替代磁性镇流器可以将照明系统的功耗降低25％；采用微控制器和功率半导体对电机进行控制，可以将电动设备的功耗降低20％至30％；在空调系统中配备变频器可以使其能源效率提升30％到40％，以及家用电器领域，采用电磁灶替代电炉可以节约大约25％的电能。 
    在此，仅对采用电子镇流器替代磁性镇流器可将照明系统的功耗降低25％与采用微控制器和功率半导体对电机进行控制作阐述。并以应用L6574的新型可调光节能灯电子镇流技术与调光萤光灯镇流器控制芯流片及实现各种电子设备的节能化的可调式开关稳压器为例作重点分析。 
2.1 新型可调光节能灯电子镇流器 
    新型可调光电子镇流器应运而生。目前随着能源问题日益严重，调光技术在照明应用中得到了越来越广泛的关注。目前大多数调光器以可控硅为主，这种调光器在纯阻性负载(如白炽灯)时能很稳定地工作，因为可控硅可以在正弦波的任意点被触发导通直到正弦电压接近零的时候关断。在这样的系统中，白炽灯可以很平滑地实现从几乎是0到100％的调光。而节能灯由于其发光效率高、无频闪等优点在很多场合早已替代白炽灯。但是由于节能灯的负载特性，在应用于调光系统时就需要对其电路进行调整。于是新型可调光电子镇流器应运而生。 
⑴　传统电子镇流器结构的不足
    普通的节能灯电子镇流器由整流桥、储能电容、半桥、谐振电路组成，输入电流只有在电压峰值附近给储能电容充电，如图1所示。如果这样的节能灯与调光器直接相连，可控硅只能在输入电压高于储能电容上的电压时被触发才能导通，此时电容电压瞬间被充到峰值电压后，可控硅断开。 
     
图1 传统电子镇流器的结构示意图 
    这样可控硅只能在90º～180º之间被触发，此时镇流器的母线电压会有所调节，一定程度上达到调光的目的，但光输出会闪烁不定。 
⑵　新型可调光电子镇流器 
    为了配合调光器的使用，新型可调光电子镇流器在图1的基础上增加一个单级PFC电路，这样可以加大电流的导通角，理论上可使可控硅在0º～180º之间的任意点都可以被触发导通，且一直到正弦电压接近零的时候关断，这样就扩大了调光范围。图2为新型可调光电子镇流器主电路结构。 

图2 新型可调光电子镇流器主电路结构 
[page]    其中虚线框A是单级PFC电路(主要包括Cfl，Cf2，L1，Dbl，Db2，S1，S2以及Cb)，实线框B是传统的半桥谐振电路(包括C1，S1，S2，Cb，Lr，Cr以及负载节能灯)。由于半桥谐振电路比较普遍，下面将只介绍单级PFC电路的运行状况。 
⑶　PFC电路的工作过程 
    为简化分析，作以下假设：①　忽略开关的死区时间，开关S1、S2占空比各为0．5；②　开关频率足够高，电容Cfl／Cf2上的电压在一个开关周期内恒定；③　电容C1上的电压始终高于输入交流电压。 
    图3给出了在一个开关周期中流过电感L1的电流从t0到t4的四个阶段。 

图3 一个开关周期中流过电感L1的电流从t0到t4的四个阶段示意图 
    从上面图3可以看出，这个PFC电路实际是由两个升压电路构成，电感L1的电流双向工作，且工作在临界断续模式。 
⑷　基于L6574芯片应用的调光技术 
    基L6574芯片是意法半导体公司的高性能镇流器驱动器,被设计为离线式600V双极-互补金属氧化物半导体，属于电子节能灯镇流器半桥型转换器。为了更好地调光，除了加入PFC电路之外，还必须加入了L6574芯片的采样及控制电路，图4为L6574芯片的应用调光控制示意图。 

    图4 L6574芯片的应用调光控制示意图 
    采样灯电流及调光器后面的输入电压的平均值，通过一定的比例调整后利用L6574内的误差放大器对开关S1／S2的频率进行调整，从而使得谐振电路的阻抗变化对灯进行调光。 
    另外通过调节调光器，镇流器的输入电压会下降，从而使电容C1上的母线电压降低，同样可以实现调光的作用。因此，这是调压、调频双重作用下的调光，可以使调光更加平滑、稳定。 
    图5为镇流器的输入电压、电流波形，由此图可以看到可控硅在任意点都可以导通。另外，可以看到电流在峰值附近会有一个尖峰(直接由交流输入电压给C1充电引起的)，这虽然会影响到功率因数，但是在这个应用中它可以保证电容C1上的电压不会因为过高而失控。 

    图5 电子节能灯镇流器半桥型转换器的输入电压、电流波形图 
    使用这种新型可调光电子镇流器的节能灯，可以直接替代白炽灯，很好地配合传统调光器一起使用。20％～100％的调光范围使它在节能方面发挥很大的优势。 
[page]2.2 新型的调光萤光灯镇流器控制IC是节能灯使用的可靠保证 
    IRS2530D和IRS2158D为600V控制IC。IRS2530D DIM8是一种采用紧凑型8管脚半桥式驱动器的线性调光镇流器控制IC。它只需要几个小型外部元件，显著地简化和缩小了电路设计，同时可实现10％的调光系统性能。 
    其IRS2530D控制IC采用IR的专利镇流器和高压技术。一个高压管脚可检测半桥电流和电压，以实现必要的镇流器保护功能；DC调光输入电压基准与AC灯电流反馈相结合，可以实现单管脚调光；IRS2530D还具有内部非零电压切换保护和内部振幅因数保护，防止灯泡故障损坏镇流器。图6为IRS2530D与节能灯连接应用的示意图。 
 
图6 IRS2530D与节能灯连接应用的示意图 
    IRSS2158D是16管脚荧光灯调光镇流器控制IC，适用于需要调光性能低于10％的高端应用。IRS2158D是一个完全集成、充分保护的600V镇流器控制IC，适用于驱动各种荧光灯。该器件具有全面的保护功能，包括可编程半桥过流保护、可编程预热和运行频率、可编程预热时间和死区时间、闭环半桥点火电流调整、可编程报废保护、欠压保护和调光低输入补偿运算放大器和电流或功率控制。此外，新器件还具有报废范围比较器管脚和内部事件电流检测上／下故障计数器，以满足T5灯泡和多灯泡镇流器的需要。 
    尽管节能灯(CFL)在总市场中的比例仍然不及白炽灯的1／3，但其处在不断增长的态势，而白炽灯则不断下降。在节能灯的市场中，无调光的CFL受到越来越大的限制，而可调光的CFL能够进—步节能30％。但因其生产难度大、成本高，市场推广速度也比较缓慢。而IR的新型的节能灯调光镇流器控制lC IR2530D和IR2518D能够以更简单、更低的成本和更高的可靠性加快可调光CFL的市场发展速度。 
2.3 采用微控制器和功率半导体对电机进行控制，将电动设备的功耗降低20％至30％方案 
    可实现各种电子设备节能化的方案，以最大输入电压为35V的可调式开关稳压器BD9013KV为例进行说明。 
    控制器型开关稳压器IC产品能直接驱动功率MOSFET，因此，即使是在大电流负荷的情况下也能实现非常简单的电路设计和高电源转换效率。作为进一步推进电子设备节能化的“耀眼光点”，也可为实现“绿色设计”做出贡献。其典型的是ROHM的BD9013KV可调式开关稳压器。 
[page]    其控制器型开关稳压器IC的主要指标：具有宽输入电压范围为3.9V～35V；待机电流为0μA；内含高精度基准电压源为0．8V；振荡频率(可调)为250kHz～550kHz(可与外部信号的频率同步)；开关稳压器的输出端可使用陶瓷电容器；内置通过串连外部电阻可进行调节的过电流保护电路—有2路输出电路。其典型芯片为BD9013KV型,而引脚和功能以及与外部连接见图7所示。它可用于同步整流与直接驱动,具有96％的超高效率。其功能有降压、升压及升降压等3种。 

图7 典型芯片BD9013KV型引脚和功能以及与外部连接示意图 
3 汽车行业中汽油机燃烧控制技术节能方案分析 
    节能的另一个亮点和热点就是汽车汽油机燃烧控制与汽车照明设备(头部、车内照明)等新兴应用领域。在此，仅对汽油机燃烧控制技术解决方案作分析。 
    随着人们对降低燃油消耗和车身重量以及可靠性和安全性提出更高要求的同时，在汽车中引进创新设计势在必行。而如今的微控制器、功率半导体和传感器可以满足所有这些要求。因为，如压力和燃油传感器可以连续监控空燃比，而微控制器可以在几分之一秒内判定最佳的喷油和点火时间。众多汽车部件的运转都要依靠电力，其中包括电机(燃油泵、电动升降车窗、电动人窗等)、照明设备(头部、车内照明)、空调和暖气系统等等。由于交流发电机提供电源的这些组件增加了汽车的耗油量，应用汽车功率组件可以帮助提高这些系统的效率。在此仅对汽油机燃烧控制技术解决方案作分析。 
3.1发展带来的困扰 
    汽车产量持续的发展面临着困扰，降低燃油消耗量和二氧化碳排放将成为汽车制造商要解决的主要问题。汽油机将采用缸内直喷、电辅助增压、电动气门、可变压缩比、停缸等技术，其最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。这对汽油机电子控制系统性能提出了更高的要求。而高性能的32位处理芯片TriCore，还提供了高集成度智能功率驱动芯片和通信芯片，为完备的发动机控制系统解决方案作了铺垫,以达到汽车制造未来的需求。 
    目前可以提供在动力系统电控单元中从主控单片机、功率驱动、传感器、通讯、ASIC等一系列完善的产品，于是呈现出完备的发动机控制系统解决方案.。其中主控制芯片采用了TriCore，它是一个32位的集成了微控制器、DSP处理器构架的超标量体系结构，它拥有快速的中断响应，对于成本敏感的实时嵌入性系统作了优化，是性价比非常好的下一代车用控制器。 
3.2 完备的发动机控制系统的主控制芯片特点 
    ⑴ 32位高性能CPU 
    集成了乘法加法运算器、浮点运算器、高性能片内外设总线、位控制能力和灵活的电源管理。 
    ⑵ 丰富的片内存储单元 
    1.5M-2M的PFLASH、16K的SPRAM、56K的LDRAM、32K的DFLASH，此外，还有TriCore独有的外设处理器存储区。 
    ⑶ 丰富的中断资源 
    256级中断优先级、103个中断节点请求；CPU和PCP具有独立的中断服务器。 
    ⑷ 具有外设处理器功能 
    可以实现数据传送、中断服务和基本运算等功能。 
    ⑸ DMA 
    具有独立的DMA通道、32bit寻址，减轻了CPU的负担。 
    ⑹ 通用时钟阵列GPTA 
    可以基于GPTA产生的并行高速PWM，可以通过MSC来直接管理功率驱动器件，不需要软件参与。 
3.3 高集成度智能功率驱动芯片用于发动机解决方案 
    高集成度智能功率驱动芯片在发动机中有以下诸方面的应用： 
    ⑴在电子节气门和EGR(废气再循环)阀门控制中，提供了智能H-Bridege驱动芯片TLE8209，芯片集成了过流保护、故障诊断和SPI接口等功能； 
    ⑵在直喷汽油机喷嘴驱动电路中提供了能够实现峰值／保持反馈控制的芯片TLE6270； 
    ⑶在电磁阀的驱动芯片中提供了具有英飞凌公司独有的微秒技术的高集成度智能功率驱动片FLEX10／12芯片，可实现多端口的驱动和诊断功能； 
    ⑷电源管理方面，提供了集成硬件看门狗、3个DC／DC模块和多个传感器电源的智能电源芯片TLE7368： 
    ⑸在通信方面提供了CAN接口芯片TLE6251DS和LIN接口芯片TLE7259G。 
    上述发动机控制系统的实现，如英飞凌的GDI发动机控制系统解决方案就是典型一例。 
[page]4 发电领域碳化硅二极管的引入是利于提高太阳能系统效率的新技术 
    全球能源消费的39％为用电,随着可再生能源(如太阳能发电厂和风力发电场)不断发展，分布式发电将成为整个电力供应系统的重要组成部分。随着常规资源的使用成本不断上升，可再生能源的比例将继续上涨。据多家机构预计，到2030年，可再生能源在全球能源消费总量中所占的份额将大幅上升,这是由于国内外已经意识到了太阳能的优点。为此，正全力推动商业和个人使用太阳能。许多著名制造厂商推出的芯片和模块已为风力、水力和太阳能等可再生能源的生产创造了条件。但是如何利于提高太阳能系统的效率却是当今设计人员所关注的焦点。由于采用SiC肖特基二极管可使整个太阳系统效率得以提高，许多太阳能设备制造商纷纷开始转向这一技术的应用。 
在此仅对太阳能发电技术采用碳化硅二极管助力于提高太阳能系统的效率作分析。 
⑴碳化硅二极管取代DC链升压电路所使用的硅(SiC)PIN设计的技术特征 
    用Cree公司的1200V SiC肖特基二极管取代DC链升压电路所使用的硅(SiC)PIN设计，己从国外逐步迸入国内,将很快出现在太阳逆变器领域。 
    众所周知,太阳能板收集太阳能能量，将其转换为正向DC电压。该电压随太阳能板上接受太阳光的光强而变化。利用高频下的升压式转换器开关，该电压可以提升至一个固定的DC电压。SiC肖特基二极管可以消除升压二极管的开关损耗，大幅度降低MOSFET或IGBT的导通损耗。这将显著提高升压电路的效率(见图8所示)。然后，一个逆变器将固定DC电压转变成固定频率的可用AC电压。SiC肖特基二极管可以消除这部分电路中的续流二极管的开关损耗，同时可以降低IGBT导通损耗，逆变器效率也就随之显著提高了。图8中，左边的电路显示采用SiPIN二极管、带缓冲电路(虚线框)的升压电路，而右边的电路则显示了采用SiC二极管的升压电路(见图8右图的园形所示)，没有恢复电流就无需缓冲电路，使电路变得更加有效简单。 

图8 SiC肖特基二极管用取代DC链升压电路 
    其10A 600VSiC肖特基二极管与10ASi二极管等效元件的Vf与If器件特性对比,SiC器件的温度是独立的，而且没有反向恢复电流. 
    上述基于碳化硅二极管(SiC肖特基)逆变器典型的平均效率接近96％。利用一个更加有效的系统，太阳能板提供的能量可以更有效地转换为可用电能。采用SiC器件，逆变器的平均效率有可能提高到97．5％。这相当于减少了25％的逆变器损耗。考虑到太阳能系统至少需要工作30年，即意味着在节约能源方面有相当大的改进，通过降低温度，系统也将具备更高的可靠性。 
⑵应用趋势 
    上述SiC肖特基二极管如Cree公司de产品为典型代表。如今太阳能产品典型的运行效率为15％—20％。正是由于SiC肖特基二极管使升压转换器和逆变器对系统的能量效率产生最大的影响。当今SiC二极管制造商,己从目前的10A—20A额定值向50A、100A及更高额定电流的器件扩展,如Cree公司己有1200V50A的商用器件。■