功率半导体在提高家电效率方面的作用

人类对地球的影响是不可否认的，全球正在努力在我们享受的便利设施和奢侈品之间取得更好的平衡，并减少对环境的影响。其中一项运动是通过能源之星效率等标准来提高家用电器的效率。美国在执行新的能效标准方面历来落后。例如，现在，如果您查看这些法规生效之前的 HVAC 压缩机市场，美国只有 5% 的市场正在为 HVAC 压缩机进行变频。另一方面，中国已经实现了几乎 100% 的逆变器，而欧洲约为 65%，因为他们有更早实现这一目标的法规。

好消息是美国已经意识到提高效率的必要性，并且正在努力追赶。许多标准要么最近颁布，要么将在不久的将来颁布，包括：

熔炉效率等级于 2019年夏季生效。

HVAC 压缩机EE 法规将于 2023 年生效，同时淘汰消耗臭氧层的制冷剂。

美国能源部一项旨在改善吊扇能耗的新举措展示了如何研究和建立上述法规。

如果您回顾几年前，洗衣机使用的是所谓的永久分裂电容器电机。这些电机的总体效率约为 60%。在过去几年中，我们开始看到越来越多的洗衣机通过过渡到效率约为 80% 的永磁体或 BLDC 电机而获得能源之星评级。随着这些类型的电机技术的引入，您还必须为这些电机加入某种类型的驱动器，称为逆变器。

这种新型电机技术本身就更高效。随着逆变器的引入，可以实现变速电机控制，进一步提高效率并帮助满足能源之星的要求。以 HVAC 系统为例，历史系统有一个单速风扇，因此无论需要冷却或加热负载，它始终以相同的速度运行。通过引入变速电机功能，电机可以以实际额定功率的 50% 运行，从而减少 90% 的能耗。以实际额定功率的 85% 运行的电机可减少 50% 的能耗。

逆变器还有另一个好处：由于它能够以可变速度运行电机以满足加热/冷却负载的需求，因此设备实际上会持续更长时间。这背后的原因是，当设备只有一种速度时，它运行得越来越热。这是典型的变频冰箱，当您第一次插入新冰箱时，它将在其生命周期内以其额定功率的 20% 运行，减去最初的两小时冷却周期。这有助于提高压缩机和冰箱的使用寿命，并通过提高轻负载效率显着节省能源。

这种向逆变器的转变对制造商来说具有挑战性，因为许多制造商没有内部电力电子团队。他们的专长在于知道如何制造机电系统。直到几年前，电器还没有逆变器驱动器和永磁或无刷直流电机。事实上，用户界面之外基本上没有半导体内容。随着变频电机控制的引入，当前电器的内容发生了巨大变化。一个典型的逆变器由六个开关、三个半桥驱动器或一个三相逆变器驱动器、一个电机控制 IC、电流传感器/分流器和一个辅助电源组成。

典型的逆变器由六个开关、三个半桥
驱动器或一个三相逆变器驱动器、一个电机控制 IC、
电流传感器/分流器和一个辅助电源组成。

制造商面临的另一个挑战是成本。将新技术添加到设备中会使成本提高 15% 到 20%。这可能是提高能源效率的竞争劣势，因为购买新洗衣机或冰箱的消费者可能会拒绝购买价格高出 15% 至 20% 的洗衣机或冰箱，并且可能会选择更便宜的版本。它将退税作为激励消费者抵消成本并启动能源之星趋势的动力。这种协同努力有助于开始教育消费者了解能源之星电器是什么，以及证明增加的前期成本合理的终生拥有成本。

半导体行业是实现这些效率提高的驱动力，这不是第一次发生这样的事情。看一下照明，从白炽灯泡到紧凑型荧光灯再到 LED 灯泡的转变是这段时间半导体技术进步的结果。这项创新彻底改变了市场，并显着减少了与房屋照明相关的能源使用。正是这些相同类型的趋势现在正在转变为主要的家用电器。随着各行各业的能源法规越来越多，产品中的半导体含量将会增加。半导体技术的进步将再次引领潮流。

半导体行业从一开始就一直遵循美洲的潜在法规。随着它们成为法律，半导体行业与 OEM 合作，以了解法规的含义以及他们可用于将下一代产品推向市场的解决方案。

对于在某些新技术方面不具备专业知识的制造商来说，这可能会令人生畏。这就是原始设备制造商与半导体公司建立真正的合作伙伴关系并利用他们的专业知识至关重要的原因。半导体合作伙伴倾向于创建针对特定应用的参考设计解决方案。这些参考设计可以为 OEM 提供 80% 完整的硬件和软件解决方案，由原理图和电路板布局文件支持。然后，OEM 可以将其转化为适合其最终申请人外形尺寸的解决方案，并根据其产品空间的应用要求获得所有权。拥有合适的半导体合作伙伴最终可以缩短他们的上市时间。

根据IEA的数据，电器占全球最终电力需求的 15%，或建筑物用电量的四分之一。随着人们越来越关注气候变化，电器的能源效率将成为抑制能源消耗从而降低温室气体排放的关键方法。在不久的将来，家电 OEM 可以期待更多的法规和能源标准。与合适的功率半导体公司合作对于跟上步伐至关重要。

—Michael Williams 是英飞凌科技美洲公司工业电源控制部高级产品营销经理

 

审核编辑 黄昊宇