超越LED，电动机将拯救地球

LED 照明是环保主义者的典型代表。他们确实有道理。据美国能源部称，固态照明是一种高能效技术，比传统白炽灯泡节能 75% 至 90%，使用寿命延长 25 倍。该部门表示，广泛采用可以减少相当于 44 个大型发电站的美国年度能源消耗。LED 令人兴奋、时尚，并且可以无缝集成到无线技术中。购买大量 LED 灯泡的消费者对为环境尽一份力感到高兴。有什么不喜欢的？

也许很少。除此之外，虽然照明消耗了美国发电量的很大一部分（约五分之一），但它远非最大的能源消耗者。这个称号属于一项不可或缺但乏味的技术，它不知疲倦地工作在工厂的百叶窗后面，隐藏在白色家电中，潜伏在许多汽车的地板后面，以及数以百万计的其他角落和缝隙中，在看不见和不在的地方公众的心。然而，如果我们真的要拯救地球，就需要将我们的集体注意力转向最大的电力消耗者——电动机。

确切数字很难统计，但美国能源部几年前的数据显示，电动机约占工业用电量的三分之二，约占美国总用电量的 50%。这是令人难以置信的每年 2000TWh。照明排在第二位，消耗了大约 19%。有了这么大的数字，即使电动机效率提高 1% 也将消除对 200 多个大型发电站的需求。

虽然环保主义者可能忽视了电动机对总能源消耗的贡献，但工程师们却没有那么迟到。公平地说，技术人员的动机并非完全无私——他们的客户不断需要更小、更轻、更耐用且运行成本更低的电机（在其使用寿命期间，电机产生的电费通常是设备的 20 倍）购买成本）——但结果是一样的——更高的效率导致更低的电力需求。

珩磨电机设计

电机效率取决于与电机产生的功率相比提供的功率有多少。例如，如果需要 2W 的电功率来产生 1W 的电机功率，则该装置的效率为 50%。差异（损耗）在克服机械摩擦、电阻和电感损耗等问题时被消散。通过多次迭代，工程师们通过低摩擦轴承、高磁导率磁铁和无刷（感应）稳固因素等创新来完善他们的设计。现代电机的效率高达 80% 或 90%。但再提高几个百分点会对未来的发电能力产生重大影响。

电子电源也在电机革命中发挥了重要作用。现代开关模式电源装置产生三相正弦输入，进而产生旋转磁场，在不使用损耗感应电刷的情况下拉动设备的转子。此外，叠加在基本工作频率上的脉宽调制 (PWM) 可实现对启动电流、转矩和滑差等参数的精确控制。这种对参数的精确控制有助于进一步限制电损耗。

现在，工程师们正在更进一步：

首先，与传统的大电流设计相比，他们更青睐高压设计。这是因为标称电机功率是电源电压和电流 (V x A) 的乘积。更高的电流推高了功率，但也需要使用更大的线圈，从而增加了电机成本和尺寸。高压（10kV 量级）对功率具有相同的影响，但不需要昂贵且笨重的铜线圈。

其次，工程师正在加快电机的旋转速度。这主要是因为它允许更紧凑的电机完成与更大、更慢的旋转机器相同的工作，但它对效率的影响也很小。例如，增加工作频率可以限制电流纹波（初始整流电源输入的伪像和损耗源）和电磁干扰 (EMI)。高频操作还可以减少可能导致电机振动、增加摩擦和过早磨损的转矩波动。

WBG Semiconductors 出手相助

挑战依然存在；用作电机电源开关元件的硅 MOSFET 和 IGBT 正在达到其极限。问题有四个方面：

这些组件无法承受更高的温度以及更高的工作条件。

它们相对较低的击穿电压限制了工程师可以将输入电压推高的程度。

开关损耗——每次晶体管从“ON”翻转到“OFF”时由残余电阻和电容引起——随着工作频率的攀升而增加（抵消其他地方的效率增益）。

由于开关时间长，这些器件的最大开关频率相对较低。

救世主以宽带隙(WBG) 半导体的形式出现。与硅的 1eV 至 1.5eV 相比，氮化镓 (GaN) 等材料的带隙为 2eV 至 4eV。带隙是释放电子以在半导体中导电所需能量的量度。

由于 GaN 的电子需要更多的能量才能从原子中逸出并有助于导电，因此半导体不太容易因热量积聚而不是有意施加受控电压而导致意外开关。GaN 还表现出比硅更高的击穿电压，可以在大约四分之一的时间内切换，并且对于给定的开关频率和电机电流，开关损耗约为硅晶体管的 10% 到 30%。最后，由于 GaN 中的电子能够比硅中的电子更自由地移动穿过晶体管的晶格，因此 GaN 器件可以更快地翻转。

商用 GaN 解决方案的价格正在下降，这使它们成为对成本敏感的电动机电源的可行选择——尤其是当最终客户考虑电动机的使用寿命能源成本及其初始购买价格时。但这种节能技术的部分应用将由客户需求驱动。LED 比传统照明更昂贵，但考虑到运行成本和寿命，它们比其他形式的照明便宜得多。这就是消费者采用该技术的原因。现在，它需要家电制造商在其洗衣机和冰箱中销售基于 GaN 的电动机的相同优势。这样，消费者和环保主义者都会真正对地球的未来环境产生积极影响。

审核编辑hhy