【導讀】氣溫每升高1度，海平面將上升2.3米，伴隨而來的還有地質(zhì)災害、極端天氣和流行疾病的增加。2020年至2030年對于全球環(huán)境發(fā)展來說是至關重要的十年，我們需要在2030年前將全球溫室氣體（GHG）排放量減半，以避免造成災難性的氣候變化。
人類已經(jīng)步入了把握自己命運的最后一個窗口期，全世界已經(jīng)達成共識，要將溫升控制在2度以內(nèi)。我國也制定了自己的雙碳目標，將在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。
在節(jié)能減排這場戰(zhàn)役中，城市是重中之重。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，當前城市人口占全球總人口的55%，城市GDP達到了全球的80%，能源消耗占比為全球總消耗的2/3，城市全年碳排放量占全球總碳排量的70%以上。隨著城鎮(zhèn)化的深入，上述數(shù)據(jù)還會繼續(xù)增長。預計到2050年，城市居住人口占比將達到全球總人口的68%，城市的能源需求將會進一步擴大。
圖1：城市人口發(fā)展趨勢
（圖源：IEA）
智慧城市：低碳和數(shù)字化齊頭并進
雖然城市的人口增多和產(chǎn)業(yè)聚集趨勢會帶來碳排放的增加，但同時高密度的環(huán)境創(chuàng)造了規(guī)模經(jīng)濟，減少了新建基礎設施的需求。隨著智慧城市的推進，數(shù)字化、智能化的技術能夠幫助城市實現(xiàn)低碳排放，邁向凈零排放。
對于城市低碳化而言，有兩個重要的要素：
一是要推動可再生能源的使用，包括鋪設可再生能源發(fā)電設施、分布式儲能設備和電網(wǎng)部署等；
二是提高能源利用率，減少能源浪費，例如通過智能傳感計算技術來實現(xiàn)更精細化的場景設置，通過網(wǎng)連網(wǎng)絡化的高效調(diào)配來提升各環(huán)節(jié)的運行效率等。
從當前的發(fā)展來看，智能樓宇、智慧交通和智能路燈是智慧城市中的三個主要場景，這三個場景也更容易通過技術手段來達到低碳節(jié)能的目標。
圖2：城市中主要碳排場景
（圖源：BNP PARIBAS）
【智能樓宇：自我供電+智能調(diào)控】
智能樓宇要實現(xiàn)低碳化，首先要改變其供電方式，挖掘建筑自發(fā)電的潛能。通過衛(wèi)星圖像識別分析，目前可以安裝在城市建筑屋頂上的光伏容量約有830吉瓦。通過推廣在建筑的頂部鋪設光伏設備，可以大大減少樓宇對于公共電網(wǎng)的電力使用，從而減少城市中集中式供電需求。
光伏太陽能板吸收太陽能將其轉化為直流電，通過逆變器轉換為交流電供樓宇內(nèi)用電設備使用。多余的電量可以儲備在樓宇的儲能電池組中，或者直接反向輸電給電網(wǎng)。隨著光伏設備在建筑頂部的鋪設率提高，我們同時也可以增加直流供電設備的生產(chǎn)，在光伏發(fā)電和用電端推動全直流電網(wǎng)系統(tǒng)。這不僅減少了設備中DC-AC適配器的物料成本，而且這種光伏直流電直接供給設備的方式，減少了兩個能量轉換的環(huán)節(jié)，從而提高了整個能源流轉效率。
圖3：屋頂光伏發(fā)電
（圖源：electricaleasy.com）
在樓宇的智能調(diào)控方面，通過個性化場景配置，智能家居可以按照用戶設定模式工作，從而確保照明控制、恒溫器和智能開關等所有設備都以高效的方式運行。
這其中需要運用到物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)智能感知、計算和控制，對于樓宇的照明、空調(diào)、電梯等實現(xiàn)更精細的運營。例如在照明方面，傳感器可以感知當前的環(huán)境光線、人的位置，將感知數(shù)據(jù)傳遞給MCU，MCU可以對燈進行照明度的調(diào)節(jié)，從而減少不必要的電量消耗。
圖4：存在檢測智能照明
（圖源：RADAR）
【智慧交通：綠色、高效出行】
交通是城市的脈絡，智慧城市需要打造綠色高效的出行網(wǎng)絡，在這其中電動車和車聯(lián)網(wǎng)技術是關鍵。
城市中電動車的比例提升，可以大大降低汽車尾氣排放，從而直接減少碳排放。車聯(lián)網(wǎng)可以提高整個道路系統(tǒng)的運行效率，從而實現(xiàn)更高效的車路協(xié)同管理。未來共享出行一類的場景可以將私家車的數(shù)量降低，從而減少由于大量閑置車的制造而產(chǎn)生的制造碳排放，同時提升道路通行效率。
圖5：EV比燃油車更少碳排放
（圖源：electricireland）
此外，電動車還可以與智能樓宇的光伏發(fā)電項目相結合，多余的電池容量可用來儲存建筑物或集中設施產(chǎn)生的剩余太陽能電力（電網(wǎng)對車輛充電，即V1G），或用于彌補短時間電力短缺（車輛對電網(wǎng)充電，即V2G）。
這樣分布式光伏、直流系統(tǒng)、電動車和儲能結合起來，不僅可以促進可再生發(fā)電的部署，還可以推動可再生電力與電力系統(tǒng)的集成并促進需求部門的使用。
圖6：V2G場景
（圖源：EIPGRID）
【智能路燈：LED+遠程監(jiān)測】
街道照明產(chǎn)生的費用目前約占城市平均電費的40%，因此減少街道照明的用電量，對于城市節(jié)能減排意義重大。一個非常有效的路徑就是將當前傳統(tǒng)的燈具更換成更為節(jié)能的LED燈具。
根據(jù)Navigant Research的數(shù)據(jù)，此舉可將路燈的能耗降低高達50%。借助智能LED燈泡，城市還可以調(diào)整照明的顏色、強度和方向。
另一方面，智能路燈還配有傳感器和連接功能，可以將環(huán)境信息和自檢信息傳輸回中央控制系統(tǒng)，從而減少運營過程中的人力巡檢。不僅如此，這種智能的路燈還能夠實現(xiàn)預測性的維護，減少出現(xiàn)問題的概率，從而間接減少碳排放。
圖7：智能路燈
（圖源：Smartcity EXPO World Congress）
智慧城市中的新一代路燈，將不僅提供照明的功能，更是城市的感官系統(tǒng)。通過感知功能，智能路燈還可以和路網(wǎng)和警務網(wǎng)絡進行聯(lián)動，提高道路智能場景的友好度，實現(xiàn)包括氣候監(jiān)測、事故報警等。
智能路燈中涉及到的關鍵技術包括LED驅動、功率轉換、感知技術、LPWAN和PLC等，其中電源管理和功率器件的性能將會直接影響整個路燈系統(tǒng)的能效。
更高效的功率器件，助力城市低碳化發(fā)展
智慧城市是一個非常宏大的課題，包含了居住、交通、醫(yī)療、教育和政府等諸多場景，涉及到的技術也包括了感知、計算、連接、控制、安全、數(shù)字孿生等。而其中與低碳化最為相關的，是直接參與到電能流傳過程中的功率轉換技術，高能效的功率器件堪稱是城市綠色發(fā)展的基石。
圖8：清潔能源應用相關的半導體器件
（圖源：美國能源部）
在光伏發(fā)電、逆變器、分布式儲能、電動車、充電樁等設備中存在著大量的功率轉換電路，基本的電路拓撲結構包括Buck（降壓式）、Boost（升壓式）和Buck/Boost（升/降壓）、單端反激（隔離反激）、正激、推挽、半橋和全橋變化器等。這些電路拓撲也都是由各類不同的元器件組成，包含著大量的電容、電感、電阻、MOSFET、變換器等半導體器件。
而所有的功率轉換器都可以簡單分為“升壓”和“降壓”兩個類別，也就是隔離形勢下的“正向”和“反激”轉換器。這其中至少包含一個開關和一個二極管。為了實現(xiàn)高效率，目前二極管已經(jīng)被數(shù)字同步整流器所取代。
半導體功率器件在關斷狀態(tài)下的損耗幾乎為零，但在開關切換和導通狀態(tài)，就會產(chǎn)生一定的功率損耗。因此要提高能效，就要通過降低導通阻抗、提高開關速度（減少切換時間）和減少切換頻率這三種方式。
要實現(xiàn)高效的功率轉換電路設計，開發(fā)者需要從兩方面著手：一方面要選擇更高效的拓撲結構，從而減少開關頻率和電平轉換次數(shù)；另一方面，要選擇更低導通阻抗、更快開關頻率的功率器件。
以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件正是憑借著更高工作溫度、更高耐壓、更快開關速度和較低導通電阻等優(yōu)勢，在電動汽車、可再生能源等應用中備受青睞。
圖9：不同類型器件的目標應用
（圖源：powerelectronicsnews）
很多芯片廠商都推出了更高能效的第三代半導體器件，例如Nexperia的650V硅基氮化鎵場效應晶體管（GaN FET），被認為是平衡了高效率和高功率密度的理想解決方案。它允許在高電壓和大電流下進行高頻開關操作。極低的開關品質(zhì)因數(shù)(RDS(on)xQGD)和反向恢復電荷(Qrr)可使器件工作在高頻以降低系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)高效率的功率轉換。
像在光伏逆變器、UPS逆變器和伺服電機驅動器等設備中，可以選擇Nexperia GAN041-650WSB GaN FET，來實現(xiàn)更高的系統(tǒng)能效，同時追求更高的功率密度。這是一款常關型器件，將高壓GaN HEMT H2技術和低壓硅MOSFET技術結合在一起，具有650V漏源電壓、47.2A漏極額定電流以及41mΩ最大電阻。該器件在貿(mào)澤電子的具體產(chǎn)品料號為GAN041-650WSBQ。
圖10：GAN041-650WSB
（圖源：Nexperia）
但SiC MOSFET和GaN FET并不能夠全面取代IGBT和MOSFET，在一些并不需要那么高電壓和開關頻率的應用中，硅基MOSFET仍有其強大的價格優(yōu)勢。因此大部分功率器件廠商在布局第三代半導體器件同時，也繼續(xù)大力發(fā)展新技術的MOSFET產(chǎn)品。Nexperia推出的NextPower MOSFET系列功率MOSFET覆蓋了20V～200V的電壓范圍，具備極低Qrr，可以實現(xiàn)更高效率和更低尖峰；同時具備低Qg×RDS(on) FOM，可用于高效開關應用。
在USB?PD Type?C適配器、48V DC?DC適配器等電源設計中，可以選擇NextPower 100V MOSFET。該器件具有低50%的RDS(on)和強大的雪崩能量額定值，非常適用于高效率開關和高可靠性應用。該器件在貿(mào)澤電子上的具體產(chǎn)品料號為PSMN4R2-80YSEX。
圖11：低Qrr可以提高能效
（圖源：貿(mào)澤電子）
結語
智慧城市的發(fā)展，需要在追求智能化的同時實現(xiàn)低碳化，如在智慧交通、智能樓宇和智能路燈等場景中，通過智能化的感知技術、高能效的功率轉換和人工智能的調(diào)控，追求凈零排放已經(jīng)成為可能。低碳化正在推動高能效的功率器件的市場需求提升，而隨著第三代半導體器件的成本逐步下降，智慧城市的低碳可持續(xù)發(fā)展，將會大有可為。
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