【導讀】氣溫每升高1度
，海平麵將上升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年對於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後一個窗口期

，全世界已經達成共識，要將溫升控製在2度以內。我國也製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：低碳和數字化齊頭並進

雖sui然ran城cheng市shi的de人ren口kou增zeng多duo和he產chan業ye聚ju集ji趨qu勢shi會hui帶dai來lai碳tan排pai放fang的de增zeng加jia

，但dan同tong時shi高gao密mi度du的de環huan境jing創chuang造zao了le規gui模mo經jing濟ji
，減jian少shao了le新xin建jian基ji礎chu設she施shi的de需xu求qiu。隨sui著zhe智zhi慧hui城cheng市shi的de推tui進jin，數shu字zi化hua、智能化的技術能夠幫助城市實現低碳排放，邁向淨零排放。

對於城市低碳化而言，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

；

ershitigaonengyuanliyonglv

，jianshaonengyuanlangfei
，lirutongguozhinengchuanganjisuanjishulaishixiangengjingxihuadechangjingshezhi
，tongguowanglianwangluohuadegaoxiaotiaopeilaitishenggehuanjiedeyunxingxiaolvdeng。

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(zhi)能(neng)樓(lou)宇(yu)要(yao)實(shi)現(xian)低(di)碳(tan)化(hua)，首(shou)先(xian)要(yao)改(gai)變(bian)其(qi)供(gong)電(dian)方(fang)式(shi)，挖(wa)掘(jue)建(jian)築(zhu)自(zi)發(fa)電(dian)的(de)潛(qian)能(neng)。通(tong)過(guo)衛(wei)星(xing)圖(tu)像(xiang)識(shi)別(bie)分(fen)析(xi)，目(mu)前(qian)可(ke)以(yi)安(an)裝(zhuang)在(zai)城(cheng)市(shi)建(jian)築(zhu)屋(wu)頂(ding)上(shang)的(de)光(guang)伏(fu)容(rong)量(liang)約(yue)有(you)830吉瓦。通過推廣在建築的頂部鋪設光伏設備，可以大大減少樓宇對於公共電網的電力使用，從而減少城市中集中式供電需求。

光guang伏fu太tai陽yang能neng板ban吸xi收shou太tai陽yang能neng將jiang其qi轉zhuan化hua為wei直zhi流liu電dian，通tong過guo逆ni變bian器qi轉zhuan換huan為wei交jiao流liu電dian供gong樓lou宇yu內nei用yong電dian設she備bei使shi用yong。多duo餘yu的de電dian量liang可ke以yi儲chu備bei在zai樓lou宇yu的de儲chu能neng電dian池chi組zu中zhong
，或huo者zhe直zhi接jie反fan向xiang輸shu電dian給gei電dian網wang。隨sui著zhe光guang伏fu設she備bei在zai建jian築zhu頂ding部bu的de鋪pu設she率lv提ti高gao
，我wo們men同tong時shi也ye可ke以yi增zeng加jia直zhi流liu供gong電dian設she備bei的de生sheng產chan
，在zai光guang伏fu發fa電dian和he用yong電dian端duan推tui動dong全quan直zhi流liu電dian網wang係xi統tong。這zhe不bu僅jin減jian少shao了le設she備bei中zhongDC-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麵
，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，從而確保照明控製、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、計算和控製
，對於樓宇的照明、空調、電梯等實現更精細的運營。例如在照明方麵，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(cheng)市(shi)中(zhong)電(dian)動(dong)車(che)的(de)比(bi)例(li)提(ti)升(sheng)，可(ke)以(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)汽(qi)車(che)尾(wei)氣(qi)排(pai)放(fang)，從(cong)而(er)直(zhi)接(jie)減(jian)少(shao)碳(tan)排(pai)放(fang)。車(che)聯(lian)網(wang)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)道(dao)路(lu)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)效(xiao)率(lv)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)效(xiao)的(de)車(che)路(lu)協(xie)同(tong)管(guan)理(li)。未(wei)來(lai)共(gong)享(xiang)出(chu)行(xing)一(yi)類(lei)的(de)場(chang)景(jing)可(ke)以(yi)將(jiang)私(si)家(jia)車(che)的(de)數(shu)量(liang)降(jiang)低(di)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)由(you)於(yu)大(da)量(liang)閑(xian)置(zhi)車(che)的(de)製(zhi)造(zao)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)製(zhi)造(zao)碳(tan)排(pai)放(fang)，同(tong)時(shi)提(ti)升(sheng)道(dao)路(lu)通(tong)行(xing)效(xiao)率(lv)。

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，多餘的電池容量可用來儲存建築物或集中設施產生的剩餘太陽能電力（電網對車輛充電，即V1G），或用於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、直流係統、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係統的集成並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，對於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(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，智(zhi)能(neng)路(lu)燈(deng)還(hai)配(pei)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)連(lian)接(jie)功(gong)能(neng)，可(ke)以(yi)將(jiang)環(huan)境(jing)信(xin)息(xi)和(he)自(zi)檢(jian)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)回(hui)中(zhong)央(yang)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)運(yun)營(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)人(ren)力(li)巡(xun)檢(jian)。不(bu)僅(jin)如(ru)此(ci)，這(zhe)種(zhong)智(zhi)能(neng)的(de)路(lu)燈(deng)還(hai)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)預(yu)測(ce)性(xing)的(de)維(wei)護(hu)，減(jian)少(shao)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)的(de)概(gai)率(lv)，從(cong)而(er)間(jian)接(jie)減(jian)少(shao)碳(tan)排(pai)放(fang)。

圖7：智能路燈

（圖源：Smartcity EXPO World Congress）

智zhi慧hui城cheng市shi中zhong的de新xin一yi代dai路lu燈deng
，將jiang不bu僅jin提ti供gong照zhao明ming的de功gong能neng
，更geng是shi城cheng市shi的de感gan官guan係xi統tong。通tong過guo感gan知zhi功gong能neng，智zhi能neng路lu燈deng還hai可ke以yi和he路lu網wang和he警jing務wu網wang絡luo進jin行xing聯lian動dong，提ti高gao道dao路lu智zhi能neng場chang景jing的de友you好hao度du，實shi現xian包bao括kuo氣qi候hou監jian測ce、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係統的能效。

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
、控製
、安全、數shu字zi孿luan生sheng等deng。而er其qi中zhong與yu低di碳tan化hua最zui為wei相xiang關guan的de，是shi直zhi接jie參can與yu到dao電dian能neng流liu傳chuan過guo程cheng中zhong的de功gong率lv轉zhuan換huan技ji術shu，高gao能neng效xiao的de功gong率lv器qi件jian堪kan稱cheng是shi城cheng市shi綠lv色se發fa展zhan的de基ji石shi。

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。

bandaotigonglvqijianzaiguanduanzhuangtaixiadesunhaojihuweiling
，danzaikaiguanqiehuanhedaotongzhuangtai，jiuhuichanshengyidingdegonglvsunhao。yinciyaotigaonengxiao，jiuyaotongguojiangdidaotongzukang、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，開發者需要從兩方麵著手：一方麵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
；另一方麵
，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矽基氮化镓場效應晶體管（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)和反向恢複電荷(Qrr)可使器件工作在高頻以降低係統功耗，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，來實現更高的係統能效，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技術和低壓矽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並不能夠全麵取代IGBT和MOSFET，在一些並不需要那麼高電壓和開關頻率的應用中，矽基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係列功率MOSFET覆蓋了20V～200V的電壓範圍

，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
，可用於高效開關應用。

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，非常適用於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gao能neng效xiao的de功gong率lv轉zhuan換huan和he人ren工gong智zhi能neng的de調tiao控kong，追zhui求qiu淨jing零ling排pai放fang已yi經jing成cheng為wei可ke能neng。低di碳tan化hua正zheng在zai推tui動dong高gao能neng效xiao的de功gong率lv器qi件jian的de市shi場chang需xu求qiu提ti升sheng，而er隨sui著zhe第di三san代dai半ban導dao體ti器qi件jian的de成cheng本ben逐zhu步bu下xia降jiang
，智zhi慧hui城cheng市shi的de低di碳tan可ke持chi續xu發fa展zhan

，將jiang會hui大da有you可ke為wei。

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