超越LED，电机借助氮化镓半导体技术将有效地拯救地球能源

LED照明是环保主义者的典范，他们确实有道理，固态照明是一种高效节能技术，能耗减少75%至90%，持续时间是传统白炽灯泡的25倍。广泛采用该技术可以将中国的年度能源消耗减少100座大型电站的水平。LED技术令人兴奋、时尚，并无缝集成到无线技术中，购买了大量LED灯泡的消费者对自己为环境做的贡献感到满意。

虽然照明消耗了中国约五分之一的发电量，但它远不是最大的能源消耗者，准确的数字很难统计，电机约占工业用电量的三分之二，约占中国总用电量的60%，照明是第二位的，约占19%。由于数量如此之多，即使电机效率提高1%，也会减少2000多座大型电站的需求。技术人员的动机并不完全是利他主义，他们的客户不断要求运行成本更低的更小、更轻、更持久的电机（在其使用寿命内，电机产生的电力成本通常是机组购买成本的20倍），但结果是相同的效率更高，导致电力需求更低。

创新的电机设计

电机效率取决于提供的功率与电机产生的功率之比，例如，如果需要2W的电力才能产生1W的电机功率，则该装置的效率为50%。在克服诸如机械摩擦、电阻和电感损耗等因素时，差异（损耗）会消失。通过多次迭代，工程师们已经用低摩擦轴承、高磁导率磁铁和无刷（感应）固定因素等创新优化了他们的设计。现代电机的效率高达80%或90%，但如果再提高几个百分点，将对未来的节电能力产生重大影响。

电子电源在汽车革命中也发挥了重要作用，现代开关电源单元产生三相正弦输入，反过来产生旋转磁场，推动电机转子，而无需使用带损耗的有刷电机。此外，叠加在基本工作频率上的脉宽调制（PWM）能够精确控制启动电流、转矩和转差等参数，这种对参数的精确控制有助于进一步限制电气损耗。

工程师们正在采取的措施

相对于传统的大电流设计，他们更喜欢高压，这是因为额定电机功率是电源电压和电流（V x A）的乘积。更高的电流会推高功率，但也需要使用更大的线圈，从而增加电机的成本和尺寸。高电压（约10kV）对电力有相同的影响，但不需要昂贵和沉重的铜线圈。

其次，工程师们正在加快电机的转速，这主要是因为它允许一个更紧凑的电机做与一个更大、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，增加工作频率会限制电流纹波，这是初始整流电源输入的伪影，也是损耗和电磁干扰的来源。高频操作还可以减少可能导致电机振动、摩擦增加和过早磨损的转矩脉动。

氮化镓半导体的拯救计划

挑战依然存在，用作电机电源开关元件的硅MOSFET和IGBT正在达到极限，问题有四个方面：组件无法处理压力更大的工作条件所带来的更高温度，它们相对较低的击穿电压限制了高级工程师提高输入电压的能力。晶体管每次从“ON”切换到“OFF”时，由残余电阻和电容引起的开关损耗会随着工作频率的上升而增加（其他地方效率的提高被抵消）。由于开关时间长，器件的最大开关频率相对较低。救世主的形式是宽带隙（WBG）半导体。氮化镓（GaN）等材料的带隙为2eV至4eV，而硅为1eV至1.5eV，带隙是半导体中释放电子进行传导所需能量的量度。

由于氮化镓的电子需要更多的能量才能从原子中逸出，并有助于传导，因此半导体不太容易因蓄热而发生非计划切换，而不是故意施加受控电压。氮化镓还显示出比硅更高的击穿电压，可以在大约四分之一的时间内进行开关，在给定的开关频率和电机电流下，开关损耗约为硅晶体管的10%至30%。最后，由于氮化镓中的电子能够比硅中的电子更自由地穿过晶体管的晶格，因此氮化镓的器件翻转速度要快得多。

结论

商业氮化镓解决方案的价格目前正在下降，使其成为成本敏感型电机电源的可行选择，特别是当最终客户承担电机的寿命能源成本及其初始购买价格时。但这项节能技术的应用部分将由客户需求驱动。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要便宜得多，这就是消费者采用这项技术的原因。现在，它需要电器制造商在洗衣机和冰箱中销售与氮化镓电机相同的优势，这样，消费者和环保人士都将对地球未来的环境产生积极影响。