碳減排帶來的能效挑戰(zhàn)

近年來，極端天氣和地質災害頻發(fā)，究其根本原因是全球氣候變暖。在此嚴峻的狀況下，迫使我們要減少碳排放，加快向可持續(xù)發(fā)展轉型。而能效提升是當下實現(xiàn)碳減排的最重要、最經濟和最直接的路徑。據(jù)國際能源署分析，預計到2050年之前，能效提升對于碳減排的貢獻占到了約37%。

那么如何實現(xiàn)能效提升，又該從何處入手？本文將會給出答案。

工業(yè)設備能效升級

助力工業(yè)碳排放減少

從2022全球碳排放數(shù)據(jù)來分析，電力和工業(yè)的碳排放占比高達68.2%；來自中國碳核算數(shù)據(jù)庫（CEADs）的數(shù)據(jù)顯示，我國去年電力和工業(yè)的碳排放占總排放量的84.5%。電力和工業(yè)占碳排放的大頭，而電力生產環(huán)節(jié)也可以看作是工業(yè)應用的一大分類，因此要實現(xiàn)節(jié)能減排，首先要從工業(yè)類應用入手。

尤其是傳統(tǒng)工業(yè)中大批的存量工業(yè)設備，例如電機、變頻器、熱交換機和鍋爐等，由于設備生命周期很長，設備內部技術老舊，能效有著很大的提升空間。通過對于工業(yè)設備的升級，實現(xiàn)設備的效率提升，進而就能夠提高整個工業(yè)生產環(huán)節(jié)的能效。

圖1：1970～2022全球碳排放數(shù)據(jù)

（圖源：Nature.com）

我國針對工業(yè)領域的能效提升，出臺了密集的政策支持和規(guī)劃建議，包括：十四五《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》、《工業(yè)能效提升行動計劃》、《工業(yè)領域碳高峰實施計劃》和《國家工業(yè)節(jié)能技術應用指南與案例（2022年版）》等。

圖2：工業(yè)能效提升行動計劃

（圖源：CCTV）

其中在去年6月工信部和國家發(fā)改委等六部門聯(lián)合印發(fā)的《工業(yè)能效提升行動計劃》中指出，要鼓勵企業(yè)圍繞電機、變壓器、鍋爐等通用用能設備，持續(xù)開展能效提升專項行動，引導行業(yè)企業(yè)趕超能效“領跑者”，探索打造超級能效工廠。在此行動計劃中，確立了高效用能設備的滲透目標：2025年新增高效節(jié)能電機占比達到70%以上；新增高效節(jié)能變壓器占比達到80%以上；探索創(chuàng)建10家超級能效工廠。

而在《國家工業(yè)節(jié)能技術應用指南與案例（2022年版）》中，針對我國的十大工業(yè)應用領域，羅列出了幾十個具體的工業(yè)設備能效提升案例，供企業(yè)學習效仿。

不謀而合，在去年11月，ABB和國際能源署等聯(lián)合發(fā)起的“節(jié)能增效行動”，也分享了《工業(yè)節(jié)能增效手冊》，列舉出了10項企業(yè)降本減排的重要舉措。其中第四條“安裝高效電機”、第五條“使用變頻器”、第七條“使用高效的熱交換器”和第八條“用熱泵代替鍋爐”，皆與工業(yè)設備的升級換代相關。

圖3：工業(yè)領域10大增效舉措

（圖源：ABB）

高效傳動系統(tǒng)

在工業(yè)領域，傳動系統(tǒng)將電能轉化為動能，被廣泛運用于各類應用。工業(yè)電力傳動系統(tǒng)的主要組成包括電機、變頻器和泵、風機或壓縮機等。

國際電工委員會為電機制定了一系列國際能效（IE）標準，范圍從IE1（標準能效）到IE5（超高能效）不等。據(jù)估計，將目前運行的3億多個工業(yè)電機驅動系統(tǒng)升級為優(yōu)化的高效設備后，全球用電量可以減少10%。

變頻器可用于控制電機轉速和轉矩，對管理電機驅動系統(tǒng)所消耗的能量具有關鍵作用。通過變頻器的精準控制，電機的能耗可以與所需工作量實現(xiàn)更密切匹配。據(jù)調研數(shù)據(jù)顯示，安裝變頻器可以將電機驅動系統(tǒng)的節(jié)能效率提高30%。

高效熱交換機

熱傳遞對工業(yè)過程的節(jié)能增效至關重要，全球范圍內幾乎所有行業(yè)都使用熱交換器進行供暖和制冷。全球高達2.5%的二氧化碳排放來自沒有維護的熱交換器，20％～50％的工業(yè)能源輸入被以廢熱的形式損失；因此提高熱交換器的性能并增加廢熱的回收利用環(huán)節(jié)，將會提高工業(yè)熱傳遞過程中的能效。例如，采用新式緊湊型板式熱交換器替換傳統(tǒng)管殼式換熱器，能源效率可提高25%。

熱泵

作為燃料鍋爐的替代，熱泵被視為全球脫碳的關鍵。在工業(yè)領域中，該項技術不僅可以應用于空間供暖，還可以用于高達180攝氏度的工藝加熱。相比燃煤鍋爐，熱泵可降低60%-80%的碳排放；即使將熱泵使用的電力上游碳排放考慮在內，也比鍋爐的二氧化碳排放量更低。

而除了上述提到的幾個典型工業(yè)設備外，在廠房、倉儲和其他工業(yè)設施中，還有大量的可以進行能效優(yōu)化的設備。包括電力、照明和通風等系統(tǒng)的升級，也都能夠有效降低能源的使用。

芯片技術
推動工業(yè)設備能效升級

工業(yè)設備的能效提升，離不開其內部芯片技術的創(chuàng)新。尤其是在功率控制電路上的能效提升，才是推動整個工業(yè)應用邁向低碳化的基礎。

采用寬禁帶器件替代傳統(tǒng)硅器件

對于功率電路的方案設計而言，最直接的能效提升方式，是采用寬禁帶器件（GaN和SiC）取代傳統(tǒng)的硅器件。其中SiC器件的耐壓能力更強，而GaN器件的開關頻率更高。采用寬禁帶器件不僅可以顯著減少損耗，而且對于系統(tǒng)功率密度、耐壓等級、開關速度、耐高溫性等也都大有裨益。

圖4：寬禁帶器件的優(yōu)勢

（圖源：ROHM Semiconductor）

在低壓場景中，以低功率DC/DC轉換器為例，超過90%的轉換效率是很常見的；然而在工業(yè)場景中，高電壓、大電流的AC/DC轉換器的效率還存在改善空間。而利用SiC功率模塊替代傳統(tǒng)IGBT模塊，開關損耗就可以降低85%。

圖5：SiC模塊提高能效

（圖源：ROHM Semiconductor）

在此為大家推薦來自ROHM Semiconductor的SiC功率模塊系列產品。據(jù)悉，該系列產品通過ROHM獨有的模塊內部結構及散熱設計優(yōu)化，實現(xiàn)了高達600A額定電流，全系列額定電壓達到了1,200V。因此，該系列產品非常適用于工業(yè)設備、大容量電源等大功率應用。

與普通的同等額定電流的IGBT模塊相比，該系列產品的開關損耗降低了64%（芯片溫度150℃時），這有助于應用的進一步節(jié)能。此外，高頻驅動的特性使其系統(tǒng)電路的外圍元器件進一步減少，并且有助于冷卻系統(tǒng)的小型化。根據(jù)冷卻機構中的損耗仿真計算，與同等額定電流的IGBT模塊相比，使用SiC模塊可使水冷散熱器的體積減少88%。

關于此SiC模塊系列，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網(wǎng)的料號為“BSM180D12P2E002”，該模塊在一個封裝中集成了SiC SBD和SiC MOSFET。

隔離和能效兼得的DC/DC轉換器

在工業(yè)設備中，輸出側的電壓較高會危及人身安全，出于安全的目的，設備的輸入側和輸出側之間通常需要電氣隔離。因此對于變壓器這種常見設備而言，不能采用單一的穩(wěn)壓器電路，而必須要選擇隔離式DC/DC轉換器。

但隔離式DC/DC轉換器的能效通常不及非隔離式DC/DC轉換器的高，這是因為：首先變壓環(huán)節(jié)會造成能效損失；第二，隔離柵導致其無法實現(xiàn)緊密控制，無法更好地調節(jié)瞬態(tài)性能；第三，隔離式DC/DC體積通常較大，相比非隔離式的離負載也就更遠，連接電路的損耗也就更高。

那么有沒有一種隔離式DC/DC，能夠實現(xiàn)接近乃至媲美非隔離式DC/DC的能效呢？Bel Power Solutions的RDT-6Y系列DC/DC轉換器就可以達到。該系列產品的輸出功率為6W，具有14V_DC至160V_DC寬輸入電壓范圍，I/O隔離測試電壓高達3kV_AC，工作溫度范圍-40°C至+105°C，采用行業(yè)標準DIP-24封裝，效率高達83%。

在此系列產品中，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網(wǎng)的料號為“RDT-6Y12”。

圖6：RDT-6Y的效率表現(xiàn)

（圖源：Bel Power Solutions）

更高轉換效率的DC/AC電源

要用的直流電是第一步。將電網(wǎng)供電轉換為工業(yè)設備使用的直流電，交流-直流電源是必不可少的。所以對于工業(yè)應用的能效提升，要將電網(wǎng)的交流電以最低損耗轉換為可供設備使用。在此為大家推薦一款同樣是來自Bel Power Solutions的電源成品——ABE1200工業(yè)交流-直流電源。

該系列產品的額定功率為1,200W，具有85V_AC至305V_AC寬輸入電壓范圍和24V_DC或48V_DC單輸出，其轉換效率達到了94%。

除了高能效外，ABE1200系列還支持通過電源管理總線通信協(xié)議進行數(shù)字電源管理，多個電源可以并聯(lián)以實現(xiàn)冗余和更高功率，通過內部ORing啟用，還提供了電流共享功能。關于該系列產品，我們推薦的具體型號在貿澤電子官網(wǎng)的料號為“ABE1200-1T48”。

圖7：ABE1200系列交流-直流電源

（圖源：Bel Power Solutions）

結語

目前碳排放還未達到峰頂，而碳中和之路更是漫長。可再生能源對傳統(tǒng)能源的完全替代尚需時日，但提高工業(yè)設備的能效，即刻就可以做起來，這將會對減少碳排放卓有成效。對于高能效的追求，將會一直貫穿在可持續(xù)發(fā)展過程之中，隨著芯片技術發(fā)展而呈現(xiàn)出更高的價值。

相關技術資源

ROHM SiC功率模塊，了解詳情>>

BelRDT-6Y系列6W DC/DC轉換器，了解詳情>>

Bel ABE1200 1200W工業(yè)交流-直流電源，了解詳情>>

該發(fā)布文章為獨家原創(chuàng)文章，轉載請注明來源。對于未經許可的復制和不符合要求的轉載我們將保留依法追究法律責任的權利。

關于貿澤電子

貿澤電子（Mouser Electronics）是一家全球知名的半導體和電子元器件授權代理商，分銷超過1200家品牌制造商的680多萬種產品，為客戶提供一站式采購平臺。我們專注于快速引入新產品和新技術，為設計工程師和采購人員提供潮流選擇。歡迎關注我們！

更多精彩