随着过去十年的迅速增长，全球人口现已超 80 亿，对能源的需求也出现了类似的增长。到 2040 年，全球能源需求预计将增长约 19%。其中，目前能源需求的 40% 是以电能形式出现的，而到 2040 年将达到 60%，占总能源需求的一半以上。
目前，全球一半以上的电力需求是通过使用化石燃料来满足的，这对自然环境造成了不利影响。化石燃料的燃烧增加了温室气体的排放，导致全球变暖加剧，给人类和地球上其他物种带来了巨大的风险。
全球变暖的影响让人们对采用太阳能、风能和水能等更环保、更可再生的能源更加感兴趣。所有这些能量来源在自然界都大量存在，而产生的水等副产品也是无害的，可以重新用于其他用途。即使可再生能源具备这些优势，但与化石燃料相比，它们的市场份额增长似乎仍然非常缓慢。这主要是由于能源需求不匹配，以及使用天然气或煤电厂作为缓冲来满足这些变化。
最终，我们的目标是实现能源的可持续利用，尽可能减少能源浪费。开发节能技术和策略对于解决这一问题至关重要，因为我们不能只依赖可再生能源。加拿大石油生产商协会 (CAPP) 称，如果不是因为能源效率不断提高，全球需要两倍的能源才能满足当前的需求。使用基于电力电子技术的节能转换器，在某些情况下，电力转换效率可高达 99%，我们对此将进一步讨论。
从发电到利用的能量损失。（图片来源：reasearchgate.net）
可调速驱动装置 (ASD) 中的电力电子设备
大多数涉及物理运动的应用都有一个电动机为整个机械系统提供动力。仅电动机就需要耗费总电能的 40% 以上。在工业领域，由于转换器皮带、升降机、运动控制系统等应用，电机的能量份额甚至更高，约为 65%。一些应用需要可变速度和扭矩，在这些应用中，ASD 效率最高，而其他具有恒定负载曲线的应用则配备不同类型的驱动器。因此，创造节能高效的电机驱动系统来降低全球能源消耗存在巨大的机会。
与传统的电机驱动相比，基于电力电子的驱动所消耗的能量要少得多，因为热能损失被降至最低。即使是传统的电机起动器，如基于电阻组的启动器，按照当前标准，效率也非常低，性能也很差。随着晶闸管、SCR、IGBT 和 MOSFET 等固态电力电子器件的引入，高效电机起动器得以开发，并且易于改造。Celduc Relais 的 SMCV6080 感应电机降压起动器就是这样一种提供软启动和软停止功能的产品。它使用六个晶闸管来提供对电机的平稳控制。由于集成微控制器，该启动器还可以提供诊断和自测功能。
使用电力电子技术的节能照明
电力照明系统是电能的下一个消耗大户，因为它们在夜间甚至白天都会持续使用，尤其是在阳光较少的地方。电力照明约占全球电能使用的 22%，因此具有巨大的节能潜力。通过使用基于电力电子的照明驱动器，至少可以节省 20% 的能源，而使用基于物联网的智能控制解决方案，则可以进一步节省能源。自 1879 年第一个白炽灯泡问世以来，制造光源的技术已经取得巨大进步，其中 LED 灯是最高效、最新潮的技术。
TRIACS 等电力电子器件用于开发可调光驱动器，该驱动器能够控制白炽灯泡和 LED 灯，从而节省成本。基于 PWM（脉宽调制）的 LED 驱动器用于通过精确控制电流输出来实现调光功能。现在，电力电子技术的进步使得 LED 驱动器 IC 变得比指尖还要小。Infineon Technologies 的 ILD6150XUMA1 就是一款用于高功率 LED 的紧凑型 LED 驱动器。它提供模拟 PWM 调光控制，并具有可调的过温保护功能，因为大功率 LED 会产生大量热量。
基于宽带隙的电力电子技术
电力电子技术几乎可以应用于任何涉及电力的领域。因此，为半导体器件选择合适的材料也发挥着至关重要的作用。在过去几十年中，硅 (Si) 凭借低成本和宽范围电压和电流处理能力，成为开发这些器件的最优选择。与此同时，随着技术朝着更小尺寸和更高效率的方向发展，硅器件已经达到极限。
硅、氮化镓和碳化硅的性能比较。（图片来源：reasearchgate.net）
SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）是前景光明的新兴技术，具有许多优势，可以取代 Si。GaN 具有高频开关能力和 3.2eV 带隙，而 Si 的带隙仅为 1.1eV。另一方面，与 Si 相比，SiC 具有高温和高压能力且带隙更高。所有这些因素使 SiC 和 GaN 成为半导体的未来，并被用于开发 MOSFET 等器件。GaN Systems 的 GS065011 GaN 晶体管就是一个受益于获得专利的 Island Technology 单元布局的例子。它具有 150mΩ 极低热阻，因此能够为 LED 驱动器、电池充电、电机驱动等应用提供高效的功率切换。
电力电子设备的未来展望
毫无疑问，人类现在完全依赖电力来维持世界运转。这为更高性能和效率的电力电子设备的研究创造了几乎永无止境的潜力，并使电子设备尽可能接近理想条件运行。另一方面，由于硅和镓等材料在环境中的有限供应，可持续性成为一个需要牢记的重要方面。随着性能的提高，对这种转换器的需求也将增加，从而导致对原材料的大量开采。因此，如何在利用高效能源节约能源的同时兼顾两者，将是未来需要研究的问题。
