提升电机系统能效响应国家“双碳”政策

黄文源

响应“双碳”政策功耗问题不可忽视

随着碳达峰和碳中和问题变得越来越重要，东芝集团于2020年9月18日已经获得了SBT（Science Based Targets）认定。SBT倡议组织认定东芝到2030年度为止的温室气体减排目标符合科学依据，并且符合《巴黎协定》中“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内”的要求。

为了实现上述目标，在当前自动化程度的不断提高，电机的应用场合越来越多的大环境下，电机系统的功耗变得不可忽视，而这其中牵涉到两个较为关键的因素，一个是器件本身的功耗，另一个是实现方法也就是解决方案的功耗。东芝半导体作为电机驱动集成电路的重要供应商之一，从产品开发设计、工艺、方案等方面始终致力于能耗的降低，从降低现存工艺产品的功耗到加快第三代半导体（SiC/GaN）的创新开发，不断提升半导体器件对电子产品节能降耗的贡献。这其中电机的无刷化便是其中的考量之一。

提升MCU性能有助于提高电机控制能效

在电机控制部分，MCU（微控制器）是电机控制的核心单元，为了提高电机控制的精度和速度，矢量引擎被广泛采用，传统的矢量控制需要消耗大量的软件资源。如果矢量控制软件占用了嵌入式存储器的主要容量，因软件资源不足会导致微控制器不能有效地工作。东芝在微控制器中引入了一個硬件IP （只是产权），它能在没有CPU（中央处理器）详细指令的情况下处理矢量控制中的复杂计算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎执行从3相到2相的转换、旋转坐标转换和那些反向转换，它们是矢量控制中的主要计算。在矢量控制中与矢量引擎配合使用将会大大提高微控制器的性能。

第三代半导体带来新的性能优势

功率器件在各种电器中的应用越来越广泛，特别是对于能效的要求不断提高的环境下，电机驱动的变频化比例越来越高，因此，从电机驱动的角度来说，对作为驱动电路中的最主要器件的MOSFET的效率的要求也越来越高。

下图的案例是东芝低压MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）在电动工具中的应用，通过采用东芝低导通电阻/低开关损耗/良好反向恢复特性的低压MOSFET，使得电机的性能得到充分发挥。

在世界范围内，第三代半导体的发展如火如荼，特别是第三代半导体在功率器件上的优异表现引人关注。与硅（Si）相比，碳化硅（SiC）是一种介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高的半导体材料。因此，与硅器件相比，当用于半导体器件中时，碳化硅器件可以提供高耐压、高速开关和低导通电阻。鉴于该特性，其将成为有助于降低能耗和缩小系统尺寸的下一代低损耗器件。