先进的电子技术将如何帮助制造商从脱碳机遇中获利
作者：Riccardo Collura，电源垂直细分市场经理（EMEA），富昌电子
在国家和全球层面，脱碳和结束世界对化石燃料能源依赖的政策侧重于少数影响力非常大的技术：
· 多千兆瓦风电场、太阳能发电场的安装
· 核裂变发电的扩展以及对核聚变的持续投资
· 内燃机推进系统被电池电动汽车以及电动飞机取代
支持这些系统的能源基础设施和新技术的生产由少数全球制造商主导。
但实现净零目标需要几乎所有类型的电力消耗应用（无论大小）都实现脱碳和电气化，几乎没有例外。这对欧洲成千上万的中小型电子产品制造商具有有趣的影响。小型设备设计的创新机会比比皆是，而大型全球OEM厂商往往没有能力填补脱碳趋势中出现的市场空白。
另一方面，较小的产品制造商可以从这些新机会中获利。在许多情况下，他们可以通过利用最新电子元器件的特性和功能来实现这一点。
小于电网规模的脱碳机会
作为一家为工业、通信和消费产品制造商等多元化客户群提供服务的宽线电子元器件分销商，富昌电子能够鸟瞰整个欧洲大陆的应用和系统设计趋势。我们清楚地看到，在政府、企业和消费者的推动下，脱碳进程尤其在三个领域创造了新的机遇。
第一个是太阳能收集。这在一定程度上是由地缘政治驱动的：西方世界已决定降低与中国关系的风险，这将涉及包括光伏发电在内的关键技术生产的大量回流。因此，目前几乎全部位于中国大型工厂的太阳能电池板制造可能会部分返回欧洲和北美。这为欧洲制造商创造了机会，在之前封闭的市场中获得意想不到的份额。
在微观层面上，支持新用例的电子技术创新推动了太阳能收集的增长。特别是，太阳能收集正在为传感系统提供新的架构。当自主、无电池无线传感器和执行器可以完全与电网电源脱钩，并且在整个使用寿命内无需充电或更换电池时，就可以完全重新考虑它们的放置和使用方式。转换和使用收集的太阳能方面的技术进步使这一变化成为可能。
由脱碳驱动的第二个变革领域是能源储存系统（ESS）。在国家和地区层面，电力基础设施运营商希望利用各种储存的能源来平衡风能和太阳能发电的波动。某种程度上，将利用财政激励措施来鼓励住宅和公司部署ESS，并允许双向电力交换以平衡电网。这需要设计创新，以使其适用于住宅和商业 ESS 中使用的电动汽车 (EV) 电池等系统，并实现按需双向能量交换。因此，采用新的半导体技术，即由碳化硅 (SiC) 材料制成的宽带隙半导体，对于实现比硅半导体更高的转换效率变得至关重要。
第三个机会是计量，特别是负载点的直流计量。为了使ESS普及，ESS 设备的所有者需要确保他们向电网提供的能源所获得的收益以及他们的消耗的计费都是准确的：这需要专用的仪表。
另一个例子是公共电动汽车充电基础设施。电动汽车电池主要采用直流充电，但公共充电站使用的公用事业级仪表通常只测量充电设备消耗的市电交流功率。电动汽车驾驶员或代表他们的监管机构会反对根据交流输入来计费，因为计量值来自提供给汽车电池的直流输出。对于安装具有廉价、低效的AC-DC转换级的充电器的充电站来说，交流计量使充电站运营商获利，但使电动汽车驾驶员遭受损失。不久之后，电动汽车市场可能会要求在负载点使用精确的直流电表来测量实际提供给汽车电池的能量。
如果这些监管要求得以实现，可能会像太阳能逆变器市场一样，将计量市场开放给新的、创新的公司，从而使市场更加分散。
元器件创新带来新的机会
因此，这些机会显而易见。但能否从中获利，很大程度上取决于制造商在多大程度上成功部署能带来性能或成本优势的新技术。
在用于无线传感器的小规模太阳能收集中，关键功能是将收集到的能量输入高效转换为有用的、稳定的输出，以驱动传感器电路。元器件技术不断提供更高的效率和集成度：这在Nexperia的专用于太阳能收集的电源管理IC（PMIC）NEH2000BY的规格中得以体现，如图1所示。该PMIC提供一个高效的DC-DC转换器，可以在低至35 µW的收集能量输入下运行。关键是，该PMIC实现了集成的最大功率点跟踪（MPPT）算法，该算法能够持续优化电路操作，以最大化供应给负载的功率。
图1：Nexperia的NEH2000BY能量收集PMIC采用16端子QFN封装，封装尺寸为3 mm x 3 mm
先进的技术也在改变能源储存领域的前景：宽带隙 SiC 半导体使得存储单元能够比传统硅MOSFET或IGBT更高效地进行功率转换，且功率损耗更低。
从基于硅的功率开关迁移到使用SiC MOSFET需要不同的设计方法：SiC技术所提供的优越热性能和更高的开关频率意味着制造商可以重新考虑使用的热和磁组件。据英飞凌，从超结MOSFET转向CoolSiC™ MOSFET可以在不增加电池尺寸的情况下提高约2%的能量容量。
对于开发新 ESS 产品的设计团队来说，领先的SiC MOSFET制造商（如英飞凌、安森美或意法半导体）提供的参考设计是一个很好的起点。例如，英飞凌的REF-DAB11KIZSICSYS是一款CLLC谐振DC-DC转换板，可以在800 V输出电压下为高达11 kW的负载供电，如图2所示。凭借其高效的双向功率流动能力和软开关特性，它是任何ESS的快速原型设计的理想构建模块，也适用于电动汽车充电站。该板基于TO-247封装的1200 V IMZ120R030M1H CoolSiC™ MOSFET，由1EDC20I12AH栅极驱动IC驱动。
意法半导体TN4050HA-12GY 也适用于额定功率高达 11 kW 的三相电动汽车充电器，这是一款 40 A/1,200 V 汽车级硅控整流晶闸管。这款坚固耐用的晶闸管具有 400 A/10 ms 浪涌电流额定值，使设计人员能够在车载充电器中实现紧凑型浪涌电流限制器，或额定高达 440 V AC和11 kW的太阳能逆变器的相位开关。
图2：英飞凌的 REF-DAB11KIZSICSYS 参考设计板体积小、重量轻，可以更轻松地集成到 ESS 设计中
元器件技术帮助中小型制造商开拓新机遇的第三个领域是直流计量。公用事业级交流电表的设计受到法规的高度限制。然而，在直流计量方面，还有更多创新的空间。在各个功能领域，最新技术可实现：
· 进行精确的能量测量
· 减小仪表的尺寸、重量和成本
· 提供更可靠、便捷的无线连接和友好的用户界面
意法半导体的 EVALSTPM-3PHISO 电表评估板是新型直流电表设计的良好起点，如图 3 所示。该板基于双通道 24 位 Σ-Δ 调制器 STPMS2，可通过分压器和分流传感器测量三个交流相中每相的电压和电流。可选的高通滤波器可以测量直流电流和电压。
传感电路和 PCB 布局最大限度地提高了信噪比，从而提供最佳的测量精度。
图 3：EVALSTPM-3PHISO 评估板采用低成本分流传感器实现完整的三相电能表
使用新元器件可获得的专家支持
在所有这些应用和用例中，通过利用富昌电子卓越工程部的专业知识，可以促进新元器件技术的使用。该团队包括电源管理、传感和嵌入式系统等领域的区域专家，得到了来自卓越中心的实践设计专业知识的支持，卓越中心为各种电源转换功能开发了复杂的参考设计。
先进的元器件技术、专家建议以及欧洲中小型电子OEM厂商的创新和工程技能的结合，为利用欧洲大陆脱碳进程带来的新机遇奠定了坚实的基础。
