元件、智能和效率推动工业系统发展

shuszhao

随着电力需求的增加，以及环境、商业和立法机构一致要求降低能耗和提高能效，工业系统的供电方式正发生巨大变化。汽车和汽车元器件工厂、数据中心（又称云）以及可再生能量和储能系统等工业系统正变得、也必须继续变得更加高效和智能化。



让我们看下工厂

欢迎来到工业4.0！工业4.0也被称为第四次工业革命、工业物联网（IIoT）和智能制造，是用来描述物理世界与网络世界汇合的一个术语。图1简述了四次工业革命。

图1：四次工业革命。图片来自领英（Kris Seeburn）。
工业4.0承诺以更少的人为干预提供生产力和效率更高的工厂。计算机和自动化的结合使得网络物理系统能够监控工厂的物理过程，并做出分散决策，这一切都是在有很少人工操控的情况下完成的。然而，为了实现工业4.0的承诺，这些智能互联的工厂需要一种更好的新方法来为它们提供动力。回想一下，无论何时将高电压转换为低电压，由于转换时效率低，总会有一些能量损耗。因此，这种能耗可以通过以下方法来降低：(1)尽可能降低必须转换电压的次数；(2)提高此电压转换的效率。
例如，Intersil这家专注于电源管理IC的半导体公司推出了一款产品，实现了降压次数的减少。根据Intersil的文章“Powering Industrial Systems”，他们看到一个行业趋势是，其客户正在转向更高电压的配电总线。传统上，设计人员是从42V或36V总线逐步降低到12V甚至8V中间总线，然后再直接降低到负载点（POL）电压。然而，那些使用更高电压系统总线的设计人员，现在想要取消中间总线，直接从48V转换到POL。”基于这一趋势，Intersil（现被瑞萨收购）开发了ISL8117同步降压PWM控制器，它允许“从48V直接降压转换到1V POL，并省去了DC/DC转换器，可节省成本，提高可靠性，并将效率提高2%到3%。”请记住，通过仅仅加大系统总线电压，随之所用的电流变小，可进一步降低功耗。

图2：通过取消中间降压级来提高能效。图片来自Intersil。
为提高DC/DC转换效率，Intersil的电源模块通过将DC/DC降压转换器完全集成在一个封装内，降低了功耗。这种全集成包括：转换器的控制器、功率FET、输出电感和补偿电路。这种设计方法最大限度地减少了外部元件数和转换器设计本身的复杂性。ISL8215M是Intersil的一款电源模块，它具有可调节输出电压及非常高的效率（高达96.5%）。
改进电机控制器设计是提高能效和可靠性、支持简化设计和缩短系统设计时间的另一个领域。安森美半导体为实现这些目标采取了一种单封装的集成解决方案（称为模块）。根据安森美半导体的文章“Motor Drive Modules Support Rapid Design Cycles and Enhanced Efficiency and Reliability”，这些模块已“预先优化”，考虑并解决了EMI等重要问题。而且通过将所有半导体器件集成到一个封装内，还缓解了散热问题，减小了PCB空间。
虽然这种集成模块解决方案有时被市场称为Intelligent Power Module（IPM，智能电源模块），但安森美半导体将这些模块称为Smart Power Module（SPM）。虽然其SPM产品线专为中低功率工业应用而设计，但安森美半导体还提供一系列电源集成模块（PIM），这些模块是面向工业电机控制、不间断电源（UPS）和太阳能逆变器等大功率工业应用的模块化解决方案。


数据中心和云

根据Fortune.com的数据，2010至2014年，数据中心的能量使用量仅增长了4%。与2005到2010年24%的增长相比，4%的增长实际上相当小；而在2000到2005年间，更是增加了90%。然而，令人印象更深刻的是，在2014到2020年间，数据中心的预期能耗将再次仅增长4%。根据伯克利实验室发表的题为“Data Centers Continue to Proliferate While Their Energy Use Plateaus”的文章，2010至2020年服务器总量预计将增长40%。因此，4%的能耗增长实际上是个巨大成就。这归功于大型互联网公司（如谷歌、亚马逊和Facebook）始终专注于提高数据中心运行效率所做的努力。图3显示了2000至2020年间的数据中心总电力消耗（预测）。

图3：数据中心总耗电量与时间对比。图片来自Intersil。
如果你好奇这些互联网巨头如何能降低如此多的能耗，无疑，这不是单凭一个想法或一种改进。相反，有许多变化（有些颇具创新性）使得这些可观的节能成就成为可能，其中包括：
•    新数据中心的设计要求使用外部空气进行冷却，而不是使用耗电的空调来冷却服务器。•    数据中心采用了高能效软件。•    对服务器进行专门设计，以在负荷不大时自动切换到低功耗状态。•    服务器需求更少。由于服务器被设计得功能更强大、效率高得多，各公司采用了服务器虚拟化技术，可以更多地利用每个服务器的总容量。根据Fortune.com上刊登的“Data Centers Are No Longer The Energy Hogs They Once Were”文章，Facebook将一些富有想象力的想法（尽管这些想法现在看起来相当平淡无奇）应用到了俄勒冈州普林维尔市的数据中心中，这些例子包括：雨水回收、为办公区提供电能的太阳能装置、重新利用服务器产生的热量来加热办公区等功能。


可再生能量和能量存储

根据美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的“Renewable Electricity Futures Study”报告，使用目前市场上提供的商用技术，再加上更灵活的电气系统，到2050年，美国可再生发电产生的电量将占全美总发电量的80%。如果这项研究结果得以实现，那么整个行业就会为在工厂中更好地准备好依靠可再生能源。“准备好”包括准备好应对可能的停电。根据德州仪器的说法，可再生能源已被证明是未来的重要能量来源，但全天持续供电的问题依然存在。
现在看能量存储。使用能量储存设施以及可再生能源，即使在接收到的阳光量减少、风力减弱或即使没风的情况下，也可以保持一致的能量输送。根据德州仪器的“Battery Management Solutions for Energy Storage Systems”指南，“能量存储系统通常包括两类应用：应急能量应用和电网存储应用。”德州仪器继续解释说，应急能量应用只需要备用电源维持很短的一段时间来执行一组任务。相比之下，电网存储应用需要备用电源维持较长的时间，直到（理想地）恢复主电源为止。为帮助客户（现在和未来）设计自己的电源管理系统，德州仪器提供了“Power Management Guide”。
工厂利用可再生能源（特别是太阳能）的一个很好例子是特斯拉的Gigafactory（见图4）。根据TheVerge.com，Gigafactory将使用屋顶安装的能够产生70MW电力的太阳能电池阵列。另据Inc.com，Gigafactory将拥有净零排放和碳中和制造。目前令人印象深刻！

图4：特斯拉的Gigafactory的渲染图，它使用一个屋顶安装的70MW太阳能电池阵列。图片来自Tesla。


总结

无论你喜不喜欢，工业系统供电的方法正在发生巨大变化。从工厂到数据中心和云计算，再到可再生能源和储能方案，我们将会看到许多形态，而且眼下正在见证这些重大变化。这些例子包括使用高效电压转换器和集成电源模块、采用高能效软件以及使用电源和电池管理指南和元件。