【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災害、極端天氣和流行疾病的增加。2020年至2030年對于全球環境發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。
人類已經步入了把握自己命運的最后一個窗口期，全世界已經達成共識，要將溫升控制在2度以內。我國也制定了自己的雙碳目標，將在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。
在節能減排這場戰役中，城市是重中之重。據調查數據，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。隨著城鎮化的深入，上述數據還會繼續增長。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：城市人口發展趨勢
（圖源：IEA）
智慧城市：低碳和數字化齊頭并進
雖然城市的人口增多和產業聚集趨勢會帶來碳排放的增加，但同時高密度的環境創造了規模經濟，減少了新建基礎設施的需求。隨著智慧城市的推進，數字化、智能化的技術能夠幫助城市實現低碳排放，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電設施、分布式儲能設備和電網部署等；
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更精細化的場景設置，通過網連網絡化的高效調配來提升各環節的運行效率等。
從當前的發展來看，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+智能調控】
智能樓宇要實現低碳化，首先要改變其供電方式，挖掘建筑自發電的潛能。通過衛星圖像識別分析，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。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，在光伏發電和用電端推動全直流電網系統。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節，從而提高了整個能源流轉效率。
圖3：屋頂光伏發電
（圖源：electricaleasy.com）
在樓宇的智能調控方面，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網技術，實現智能感知、計算和控制，對于樓宇的照明、空調、電梯等實現更精細的運營。例如在照明方面，傳感器可以感知當前的環境光線、人的位置，將感知數據傳遞給MCU，MCU可以對燈進行照明度的調節，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絡，在這其中電動車和車聯網技術是關鍵。
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。車聯網可以提高整個道路系統的運行效率，從而實現更高效的車路協同管理。未來共享出行一類的場景可以將私家車的數量降低，從而減少由于大量閑置車的制造而產生的制造碳排放，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生的剩余太陽能電力（電網對車輛充電，即V1G），或用于彌補短時間電力短缺（車輛對電網充電，即V2G）。
這樣分布式光伏、直流系統、電動車和儲能結合起來，不僅可以促進可再生發電的部署，還可以推動可再生電力與電力系統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+遠程監測】
街道照明產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，對于城市節能減排意義重大。一個非常有效的路徑就是將當前傳統的燈具更換成更為節能的LED燈具。
根據Navigant Research的數據，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，可以將環境信息和自檢信息傳輸回中央控制系統，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預測性的維護，減少出現問題的概率，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。通過感知功能，智能路燈還可以和路網和警務網絡進行聯動，提高道路智能場景的友好度，實現包括氣候監測、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的能效。
更高效的功率器件，助力城市低碳化發展
智慧城市是一個非常宏大的課題，包含了居住、交通、醫療、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。為了實現高效率，目前二極管已經被數字同步整流器所取代。
半導體功率器件在關斷狀態下的損耗幾乎為零，但在開關切換和導通狀態，就會產生一定的功率損耗。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。
要實現高效的功率轉換電路設計，開發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；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。極低的開關品質因數(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功耗，實現高效率的功率轉換。
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，來實現更高的系統能效，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。該器件在貿澤電子的具體產品料號為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，也繼續大力發展新技術的MOSFET產品。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。該器件在貿澤電子上的具體產品料號為PSMN4R2-80YSEX。
圖11：低Qrr可以提高能效
（圖源：貿澤電子）
結語
智慧城市的發展，需要在追求智能化的同時實現低碳化，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控，追求凈零排放已經成為可能。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發展，將會大有可為。
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