電力電子的效率——任務(wù)完成了嗎?

效率真正的含義是什么，為什么不能更上一層，精益求精?

1983 年 10 月，前所未有的風(fēng)力發(fā)電機投入運轉(zhuǎn)，世界上最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器 Growian(德文縮寫，意指大型風(fēng)力發(fā)電廠)就此正式亮相。之后，這臺 3MW 機器被認(rèn)為是改變世界的里程碑。雖然這在當(dāng)時是一種巧妙的設(shè)計，異步發(fā)電機產(chǎn)生的電力通過幾個齒輪箱輸送到電網(wǎng)，并從可變頻率轉(zhuǎn)為固定頻率需要利用旋轉(zhuǎn)機械的機械轉(zhuǎn)換器。堆疊 5 個機械系統(tǒng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低于 80%，而損耗則超出 600kW。如今，生成、輸送、儲存和利用電能是工業(yè)化國家面臨的一個主要挑戰(zhàn)。雖然規(guī)模從瓦特到兆瓦不等，但是任務(wù)本身的性質(zhì)不變。

功率面臨的難題

節(jié)約1W 的能源似乎微不足道，然而設(shè)備中這個數(shù)字累加起來卻是不容忽視的。手機就是這類應(yīng)用的個中代表。手機使用 USB 端口在 5V 的電壓下充電，輸出功率是 2.5 W。在高壓 MOSFET 時代之前，要完成這項任務(wù)需要一臺變壓器、一臺整流器和一臺線性穩(wěn)壓器，系統(tǒng)效率僅約為 50%. 如今，緊湊的開關(guān)式電源即可完成相同任務(wù)，且轉(zhuǎn)換效率可高達(dá) 85%。僅在德國使用的手機數(shù)量就有大約 1 億臺，每天充電一小時，半導(dǎo)體提供的改進(jìn)能夠每年節(jié)約高達(dá) 146,000MWh 的電能。

低于 1kW 的任務(wù)

自 1982 年 Commodore C64 問世以來，如今歐洲幾乎每個家庭都有個人電腦。但是直到 2004 年才開始實施 80Plus計劃，提倡使用效率至少為 80%的電源。雖然這些計算機大部分在 100W 級別的電源下運轉(zhuǎn)，大功率顯卡和其余附件會將功率消耗增加至 1000W。

相較于 C64 基于變壓器和線性穩(wěn)壓器的電源，現(xiàn)代的開關(guān)式電源結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但是效率更高、重量更輕、體積更小，因此每瓦特輸出功率消耗的資源更少。在德國，有 6600 萬臺私人電腦，功率半導(dǎo)體每年就能幫助節(jié)省 10,000,000MWh 的電能。如果平均效率從 80% 提高到 90%，這個數(shù)字還會翻上一倍

兆瓦處理面臨的挑戰(zhàn)

德國的“Energiewende”是一個能源項目，目的是到 2020 年消除對核能的需求，轉(zhuǎn)而投向使用可再生能源的集中式發(fā)電廠。鑒于任何可再生能源都具有波動性，因此需要進(jìn)行儲能。生產(chǎn)時間和消耗時間之間的平衡將是實現(xiàn)所需可用性穩(wěn)定供應(yīng)的一個關(guān)鍵因素。

來自太陽能電池陣 (1) 或風(fēng)能轉(zhuǎn)換器 的能源通過電力電子處理后能與電網(wǎng)兼容。相比 1983 年的 Growian，現(xiàn)在的風(fēng)能轉(zhuǎn)換器效率提高了 20%左右。一個普通的現(xiàn)代 2MW 風(fēng)能發(fā)電廠每年全功率運行 1000 小時，由于電力電子取代機械轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的效率提升，增加的能量采集可達(dá)到 400,000kWh。2013 年德國可再生能源產(chǎn)生的發(fā)電量約為 1350 億 kWh。如果沒有電力電子，損失電量將高達(dá) 270 億 kWh。