新能源技术日渐走向实用化

地球日益恶化的环境给人类带来的极大的冲击，降低能耗与采用可再生能源成为整个世界一致的需求，但这些技术还处于研发阶段，离人类大规模应用还有一段距离，但是这些技术的发展一日千里，给我们带来了无限的憧憬，本文通过采访行业专家把LED照明、光伏发电和电动汽车的技术发展情况介绍给大家，让大家对新能源行业的最新技术动态有最前沿的认识。而在2012年国际集成电路研讨会暨展览会(IIC-China)期间，香港理工大学教授、电机工程系电力电子研究中心主任郑家伟会做《改善能源转换效率的N个努力》的主题演讲。此外，来自NXP、EPC、飞兆和Vicor等企业的专家，也将与广大工程师一起讨论中国新能源的“钱”途何在等大家关心的议题。

　　

LED照明加快普及

　　

凹凸科技智能照明产品组副总裁李胜泰认为LED照明技术在这两年的进展和突破会有以下几点：

　　

(1)灯泡光通量持续增加：根据Haitz定律，LED单个封装的最大光通量以每10年20倍的速度上升，同时每流明成本以每10年10倍的速度迅速下降。Haitz定律在过去四十年间成功预测了LED的发展速度，近年来白光LED的快速发展甚至超出了Haitz定律。飞利浦与东芝生产的LED灯泡已经达到800流明，可以替代60W白炽灯。800流明指的是灯泡的光通量，所以在封装层面上光通量要达到1,000流明左右。

　　

(2)LED调光方案的不断精进：目前传统灯具主要存在的调光器：包括可控硅调光器(Triac dimmer)(前切式) ，电子式调光器(后切式)，与遥控调光器(红外线或RF式)，以及一些商用照明调光系统。使用电子式调光器必须施工更改灯具接线(一般墙壁开关只有接往一条交流电线，无法提供电源给电子线路)，装置成本较高。遥控调光器可以添加许多先进功能，比如调色调光等。但有遥控器昂贵，容易遗失，公共场合不便使用。更为糟糕的是，电子式调光器和遥控器，都需要灯具需要搭配相同厂牌的调光器，所以没有统一规格。可控硅调光因为不用改变接线，装置成本较低，各个厂牌硅控调光器的性能和规格差别不大，欧美家庭普遍安装了硅控调光器，但存在有功率因数变差、效率低、及调光器与灯具的匹配问题等。

　　

(3)非隔离方案的日趋广泛应用：目前非隔离方案不能满足CE的耐压要求，只能满足日规及美规要求，但随着铝基板耐压的不断提高、陶瓷散热器与陶瓷PCB基板的使用，非隔离方案可以克服耐压问题，并以其性能与体积优势，在小型(如灯泡)的应用中得到广泛的应用。

　　

爱特梅尔LED灯控市场营销总监Tushar Dhayagude认为2012年数个LED照明细分市场将会发生有趣的变化。一般来说，在低功率类别中有四个主要的细分市场，也就是灯泡替代品、下射灯(down-light)、低功率MR16和日光灯。迄今为止，这个市场一直受限于较高的成本、低可靠度和不可调光的解决方案。现在的发展趋势是转向具有更高可靠性的可调光甚至可连接的解决方案。例如，使用下射灯，客户期望具有均匀性和基调调节选项，而要在现有的LED下射灯中实现上述期望需要显著的额外成本。

图2: 爱特梅尔LED灯控市场营销总监Tushar Dhayagude

飞兆半导体PCIA照明部门行销总监李在鹏则认为现在LED照明行业的标准化尚未成熟，虽然许多机构正在强制进行标准化，还有更多具体的标准化统一工作有待完成。全球范围的LED照明行业需要具体的标准化和统一工作，同时，LED照明市场正在继续经历从传统照明市场的转变，从而提高灯具效率。为了提供高效率，用于这些照明产品的电源本身也需要具备高效率和节省空间特性，同时要求具备小外形尺寸。这里谈及的所有针对未来设计和技术要素包括恒流控制精度、紧凑型设计、长使用寿命、高效率、高功率因数和可调光性能。

　　

TI公司预测LED照明会朝着智能化、系统化的方向发展。目前的LED照明还只是局限于替代现有方案，如白炽灯、卤素灯等的简单替换。但LED照明的特点决定了其功能不应局限于此。无论未来的室内还是室外LED照明，更高效、节能的要求不会改变，但单单LED照明技术本身能效比已经较高，因此提升空间有限。然而，通过智能化，人性化和系统化的方向，其能效空间依旧很大，例如根据外界环境调节亮度、根据有无照明需求进行亮灭自动控制等等，既可以有效节约能源又能提高使用者的舒适度。这就要求LED驱动电路除了满足基本的亮、灭功能外，还有人机、环境感应和交互能力。根据市场研究公司IMS Research的最新分析报告，TI在全球LED驱动器供应商排名榜上位列第一，而NSC位列第二，因此整合NS产品之后，TI将能为客户提供更为广泛的满足上述技术需求的LED驱动产品。

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电动车技术期待突破

　　

新能源汽车的马达驱动有别于一般的通用变频器的是牵引应用，它的工作气候环境比较恶劣，负载大小随着启动，加速，减速而不断变化，这对模块的寿命和可靠性有很大影响。这就需要采用高可靠性的模块工艺，以提高芯片的功率端子之间联接线及衬底与基板承受热疲劳的能力，英飞凌第四代IGBT功率周次提高了四倍，PrimePACK和EconoDUAL 3等模块温度周次比工业级大电流模块IHM提高了四到五倍。

　　

插入式混合电动车(PHEV)和电池电动车(BEV)是两项快速兴起的技术，可使用功能强大的电机作为动力来源。为了给这些电机供电，在车辆中安装了由数百节电池(总计300-400V)组成的大型电池组。由于电池的电量有限，PHEV和BEV必须定期再充电，而这通常通过连接到电网来进行。这些车辆的充电系统包含从AC线生成DC电压的AC/DC整流器，以及生成电池组所需的DC电压的DC/DC转换器。另外，高级充电系统还可能使用PLC调制解调器与电网通信，以便根据电网条件调节充电。在操作和充电过程中还必须仔细监控电池组，以便最大程度地提高能源使用率并延长电池使用寿命。

　　

新能源汽车的核心技术是电池技术。国内电池专业公司景佑公司的电池组采用目前世界上最为稳定、标准化最高、一致性最好、比能量最高、安全最可靠、性价比最好的18650(三元材料)为基础电池芯集成，通过对于每个单体电池的合理布局使每个单体电池热平衡设计和控制，并且实现了恒温设计。设计是以电化学的充放发热特性先解决散热并控制管理。可以把整体电池组控制到每个单体电池芯，并通过最新型的电池嫁接技术使得全局管理技术得以实现，电池组最高可实现600V高电压。在抗碰撞以最快时间内断掉内部电源使整体电池组保持最为安全状态，可重组箱型散热结构设计技术实现了不同车辆的设计需求使电池组完全标准化模组。整体电池组满足了充电从慢充、快充、快换的市场需求。

图3: ADI大中华区汽车电子商务经理李防震

最近随着业界对电池电量计算的精度要求不断提高，越来越优异的电池工艺技术的出现，结果使得电池充放电曲线更加平坦，所以电池管理芯片需要拥有更高的测量精度。另外，由于锂电池的失效特性，电池管理系统的可靠性和安全性至关重要。国内厂商开始关注系统级的安全性设计，以及ISO26262标准的引入。在电池管理芯片领域，主流半导体厂商均在芯片中集成了越来越完备的故障报错机制、数据校验机制、以及冗余监控机制，以帮助客户实现更高等级的系统级安全。ADI大中华区汽车电子商务经理李防震认为很多厂商开始关注效率更高的主动式电池均衡，以降低电池管理模块的发热，节省电量消耗，这几个新的技术趋势，也正是ADI在电池管理芯片领域致力的方向。这些问题的解决，意味着消费者所担心的电池系统安全性、电池的使用寿命以及成本等一系列问题随之迎刃而解，将加快新能源汽车的普及速度。

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光伏发电追求最高能源效率

　　

光伏发电需要通过功率变换把直流转换成电压频率稳定的交流电并网，按市场细分，一般会采用为集中式逆变器和组串型逆变器。集中式逆变器设计已成熟，国内光伏电站主要采用500kW和250kW ,它的核心技术是功率变换器件的效率，目前业界公认最好的解决方案是采用英飞凌的第四代IGBT4的PrimePACK封装的模块，这种低寄生电感，低热阻的封装能充分发挥第四代构槽栅场终止技术FieldStop IGBT芯片的低损耗的优势。可以从另外方面来看，核心的技术是功率器件的应用。大功率的变流器设计如500kW光伏逆变器就涉及到IGBT的应用技术，如IGBT的并联技术，驱动技术，和热设计等等。

　　

组串型逆变器是中小功率逆变器，不少公司拥有自己的专利电路结构, 新一代功率器件使得这些电路如虎添翼, 效率,可靠性等各方面性能都有了很大提高。如构槽栅场终止技术FieldStop IGBT、HighSpeed3 IGBT、CoolMOS、碳化硅二极管SiC在高能效的太阳能逆变器有出色的表现。一些高能效的芯片引入使得一些简单可靠低成本拓扑结构展现了新的生命力。如HighSpeed3 IGBT把T-型三电平电路结构的10-20kW三相组串型逆变器效率提高到了98%以上。可期待的下一代产品是碳化硅的JFET，可望进一步显著提升效率，或者通过提高开关频率优化输出滤波器的设计，提高系统功率密度，降低成本。

　　

飞思卡尔公司预测微型逆变器技术将在太阳能电池板上有更加重要的应用。这项技术是指从每个阵列一个逆变器变为每个太阳能板一个逆变器。除了简化部署外，该技术从长期来看还可以提高效率，由于局部阴影效应，阵列输出受单个太阳能板输出的影响更小。另一个提高效率的因素是微型逆变器可以适应每个单独的太阳能板的输出。飞思卡尔通过数字信号控制器产品组合为数字功率转换提供支持，在某些方面实现了业界最高效率水平。这些解决方案能够替换当前的模拟系统组件，降低客户的物料成本并提高系统控制和创新。

图1: 全球纯电动汽车的市场预测。