驱动“机器人未来”

制造业日新月异。一百年前,工厂大多依靠人力驱动,现在则主要通过消耗大量电能作业。电能可为计算机、自动化设备和机器人供电,显著提高工厂的效率。然而电能并非取之不尽用之不竭。那么,人们为提高用电效率究竟采取了哪些行动呢?

电子器件的效率如何?

工厂需要消耗电能来生产我们日常购买和使用的商品,其耗电量非常大。一家小型工厂一周的耗电量可能相当于一户家庭一个月的用电量。但对于大型工厂而言,可能只够其运行一天甚至几个小时。为了保证人们负担得起这些日常用品,工厂针对自动化所做的每一次改进(如添加机器人),都对相应设备提出了高效用电的需求。

电子电力行业内的科学家和工程师们在研究、设计和开发组件及其材料方面所做的努力,对于改进用电效率而言发挥着关键性的作用。为了更加清晰地表明如今家电的先进程度,我们可以将其与上世纪八十年代的音响系统做个对比。那时,音响系统放大器的效率只有50% - 60%。这意味着,每输出一瓦特的功率,都有近一半的功率被浪费了。而损失的能量大部分则转化为废热。此外,洗衣机、冰箱、冷柜和电视机也是如此。

电子器件怎样帮助提高用电效率?

就电子器件而言,工程师主要使用两种方法来提高效率:

方法一:组件自身

随着时间的推移,电子组件变得愈发小巧高效;而新材料的出现也令我们的组件能够在实现更小封装尺寸的同时,拥有更强大的功能。而我们所有针对该领域所展开的研究,都是为了满足客户的需求,即对更高效的电子组件的需要。

方法二:在电路中使用电子组件的策略

上世纪八十年代,制作放大器的方法很有限。一方面,放大器的制作受到组件的限制。另一方面,这是由于人们虽然斥巨资打造电路,其效率提升效果却并不显著。电子器件性能的提升与成本不成正比。

不过工程师知道,只要他们有了合适的电子设备,他们就能采用非常巧妙的方法,打造出非常高效的电子产品。

一大变化体现在数字化技术的发展方面。许多年前,人们单纯使用模拟电路,来打造处理模拟信号的设备(如放大器)。而现在,放大器集最佳模拟和数字化技术于一体,功能强大、精巧高效,如电视和环绕立体声家庭影院系统。总而言之,功能强大、精巧高效的音频放大器满足了家庭音频系统的需求。

功率的及时供给是关键

另一项艰巨的任务就是为电子电路供电。电源供应器可以将墙壁插座处所提供的交流电转换为手机充电、大小型家用电器工作时所需的直流电。有的电器耗电量巨大,有的则很小,有的甚至根本不耗电。在一般情况下,恒定功率的电流供应相对来说较为简单高效。然而,对于变化功率的电流,其供应则较为困难。技术术语称之为 “负载变化”。

这也是工程师在设计和制造电源时面临的一大挑战。这有点像解难题,在大多数情况下,我们需要进行选择,究竟是那个特别适用于提供少量电力的解决方案,还是那个极为适合提供大量电力的解决方案。然而当电路进入低效的工作模式时,怎样才能使电路状态保持良好,而不是普通状态,这是工程师面临的真正挑战。

基于洞见做决策

大多工程师在设计电子器件的时候,都希望可以获取更多关于使用情境的信息。在为工厂制造机器人的驱动电源时,工程师希望了解其具体的使用频率和使用时间。比如,机器人在拾捡物体时,用电量很大,而在放下物体后,耗电量就很小了。与缓慢移动的机器臂相比,持续快速动作的机器臂的用电量更大。

不过机器人是一种通用的工具,可完成多样化的任务。机器人在搬运重型汽车部件时所耗费的电量与制造办公家具时不同。

假如这些用电设备可以通过互相通信来协调和优化能耗,岂不完美?

工业4.0:通过机器与机器通信提高功率效率

这就是工业 4.0这样的项目一展身手之地。尽管工业4.0的定义非常宽泛,但人们通常将它理解为对下一个工业革命时代的定义。这是一个互联互通的时代,机器人、其他制造设备和操作人员相互通信,提高工厂的生产效率。

提高效率的关键领域之一就在于减少功耗。假设机器能够互相协调,那么它们就能实现平稳用电,减少电量需求突变的次数。这样一来,我们就能如上文所述,提高用电效率。

显然,这并非总是有效。如机器在拾起传送带上的物料并进行装箱时,就需要满足一定的时间要求。如果这些机器能够互相通信,那么它们就能够找到一个更加高效的操作顺序,并实现平稳用电。

英飞凌为节能所做的贡献

英飞凌为供电设备提供大部分的电子器件。直至目前,这些组件绝大多数都采用基于纯硅的基片制成,这就是硅芯片所采用的原材料。不过,随着材料科学的进步,人们发现了特别适用于电子器件的替代材料。碳化硅,也称SiC,就是其中颇受重视的材料之一。

SiC在电子领域应用已久,但直到最近十年,它才被用于电力电子产品。SiC具有高电流密度的优势,是电源高电压和电流的理想之选。

在这样一个细节决定成败的行业,英飞凌CoolSiCTM 肖特基二极管能帮助工程师将电源效率提高一个或两个百分点。尽管看似不多,但这对于一个效率普遍达到90%以上的行业而言,具有重要意义。

提高效率意味着减少能源浪费,避免它们转化为废热,也就可以减少散热所需的资源(通常是铜冷组件和风扇),能够促进设计更加轻便精巧。

总而言之,将这类高效组件与能够互相对话的 工业 4.0 机器结合在一起就能显著提高电源效率,减少浪费。同时,通过获取供应负载变化的信息和周围设备负载变化的信息,它们就能以最适当、最高效的模式做出反应和操作。

结语

我们希望,未来工厂能够尽可能高效地利用有限的资源。感谢科学家的共同努力,我们现在能够更加深入地了解相关材料的优异性能。同时,在出色的工程师的支持下,我们才得以将这些材料和洞见转变为节能解决方案和组件,最终实现这一目的。