有幾個因素在推動這一增長。首先是全球能源意識的提升，以及日益迫切的對于更理智和更有效地使用能源的訴求。第二個是物聯(lián)網（IoT），它推動了將各種新技術和服務導入工業(yè)應用。借助工業(yè) 4.0 等智能產業(yè)計劃，機器、工廠和工作場所通過連接設備變得更加智能和具有意識，從而實現(xiàn)更高的自動性、效率、可靠性和安全性。

 

但是，隨著采用工業(yè)自動化（例如機器人和電控化生產線）應用的不斷增加、為這些系統(tǒng)供電的電力成本也水漲船高。為保持競爭力，制造商需要能夠開發(fā)新的操作方法以降低工廠成本。他們還需要充分利用每一寸空間，因為設備占地面積會直接影響運營成本。

 

能耗的影響還延伸到了數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心裝載著支持工業(yè)應用的服務器。通過自動化、人工智能和機器學習增加的數(shù)據(jù)流量，反過來又增加了保持設備運行所需的處理資源。散熱性能也很重要，因為數(shù)據(jù)中心消耗的電能中有 20％是用于數(shù)據(jù)中心的冷卻。

 

對更高效率、更低成本的需求

 

由于工業(yè)設備通常是 24 小時/7 天的全天候運行，因此效率的任何提高都可以立竿見影地大大降低能耗。解決能源問題的最直接方法是高為這些工業(yè)系統(tǒng)提供動力的系統(tǒng)的能效。Cree 和 Wolfspeed 的聯(lián)合創(chuàng)始人 John Palmour 表示：“最便宜的電力就是你還沒在使用的電力。”

 

因此，行業(yè)、政府和制造商都面臨巨大壓力，需要開發(fā)出更高效的電源。例如，諸如能源之星（Energy Star）和 80 Plus 之類的標準促進了電源裝置（PSU）的能效提升。通過滿足這些標準，PSU OEM 可以輕松地向要求苛刻的市場展示其系統(tǒng)的效率。

 

電源設計人員面臨的最大挑戰(zhàn)是：功率密度、散熱性能和轉換效率這三個特性。此外，設計人員需要在最小化整體系統(tǒng)成本的同時滿足這些挑戰(zhàn)。

 

傳統(tǒng)的電源設計方法將會繼續(xù)在這些方面提供一些改進。但由于開發(fā)人員多年來一直專注于從這些系統(tǒng)中獲取更多效益，而相關效益并不是取之不竭的。所以，為了實現(xiàn)重大改進，我們需要新的方法。

 

SiC 能夠做到

 

碳化硅（SiC）是一種寬禁帶半導體基礎材料。它可用作裸片基板，也可以用于肖特基二極管、MOSFET 等分立器件以及功率模塊。

 

歷史上，硅（Si）被用作大多數(shù)電子應用的半導體基礎材料。但與 SiC 相比，基于 Si 的電源系統(tǒng)在能效方面相形見絀。SiC 提供了諸多領先 Si 的優(yōu)勢（見圖 1）。

 

圖 1

 

與傳統(tǒng)的 Si 相比，SiC 具有諸多優(yōu)勢。

 

優(yōu)勢包括：

 

• SiC 基器件的漏電流低于 Si 基器件。這是因為電子-空穴對在 SiC 中產生的速度比在 Si 中產生的速度慢，從而在開關斷開時只產生較低的漏電流損耗。

• SiC 具有 3 電子伏特（eV）的寬帶隙，能夠承受 8 倍大于 Si 的電壓梯度，而不會發(fā)生雪崩擊穿。SiC 更高的臨界擊穿強度，使其能夠在與 Si 相同的封裝中承受更高電壓。因此，可以開發(fā)出類似 SiC 基 MOSFET 器件，其阻斷電壓大約是 Si 基方案的 10 倍。從而，我們可以可靠地制造極高電壓、高功率的設備，而設計人員也可以在有限的預算之內提供更高的性能。這些設備可以非常緊密地放置在一起，從而提高器件的封裝密度。

• 更高的熱導率可以更有效地進行熱傳導。此外，較低的導通電阻可降低傳導損耗。

• 基于 SiC 的器件具有更高的開關頻率。更高的 SiC 開關頻率可使峰值效率>98.5％，從而使系統(tǒng)有望達到 80 Plus Titanium 標準（見圖 2）。

 

圖 2：

 

該圖顯示了 20 kW SiC AC/DC 轉換器的效率。從這些實驗結果可以看出，該轉換器能夠實現(xiàn)>98.5%的峰值效率，達到 80 Plus Titanium 標準。

 

受益于 SiC 的工業(yè)應用

 

憑借這些特性，基于 SiC 的器件使得電源設計人員能夠實現(xiàn)更高的效率水平。SiC 的影響可以在許多工業(yè)應用中看到：

 

功率因數(shù)校正（PFC）：PFC 是一種可通過增加電源的功率因數(shù)來顯著降低電力浪費的技術。如果沒有 PFC，電源將以高幅度窄脈沖消耗電流。使用 PFC，可以平順處理這些脈沖，以減少輸入均方根（RMS）電流和視在輸入功率。這有效地整形了輸入電流，以使

 

電源實現(xiàn)的功率最大化。

 

SiC 能夠實現(xiàn)更高頻率，從而可以采用更小巧、更經濟的周邊器件（見圖 3）。

 

 

 

 

SiC 所帶來的更高頻率，允許采用更小巧、更經濟的周邊器件?？梢钥吹?，使用 SiCMOSFET 的混合方案只需更少數(shù)量的器件，更具成本效益，并實現(xiàn)了更高功率密度。

 

可以看到，使用 SiC MOSFET 的混合方案只需更少數(shù)量的器件，更具成本效益，并實現(xiàn)了更高功率密度。這樣就可以減小系統(tǒng)尺寸、降低重量和成本（見圖 4）。此外，除了減少總體能耗外，所獲得的更高效率還改善了散熱性能，從而進一步減小了電源的尺寸、降低了重量。

 

圖 4：

 

SiC 與傳統(tǒng) Si 相比具有明顯優(yōu)勢。

 

電動汽車充電：電動汽車需要高效且快速的充電，以最大程度地減少車輛的停駛時間?？焖俪潆娬咎峁┝藘?yōu)于汽車車載充電機（OBC）的顯著優(yōu)勢，其充電時間為 30 分鐘，而OBC 則為 4 小時以上。充電站更靈活，因為它們支持可熱插拔的功率轉換模塊，以最大限度地延長有效充電時間。充電站還能以可擴展的方式進行設計，從而加快了面世時間并降低了研發(fā)成本。為獲得成功，充電站必須提供高效率、更高的功率密度、耐用度、可靠性以及雙向能量流，以賦能智能電網。

 

基于 SiC 的充電機的開關速度提高了 2-3 倍、損耗降低了 30%、所需的器件數(shù)量減少了30%。從 AC/DC 轉換器的框圖中可以看出（見圖 5），使用基于 SiC 的器件可使得設計具有更少數(shù)量器件、更小尺寸和更低系統(tǒng)成本，同時實現(xiàn)了雙向功率傳輸。

 

圖 5：

 

從此 AC/DC 轉換器框圖中可以看出，使用基于 SiC 的器件可使得設計具有更少數(shù)量器件、更小尺寸和更低系統(tǒng)成本，同時實現(xiàn)了雙向功率傳輸。

 

此外，SiC 的更高效率和更好散熱性能，可實現(xiàn)更高的功率密度（通常提高 65%）。這意味著每個站點都可以提供更多電力，從而可縮短充電時間或每個站點可為更多車輛充電。眼下，為更多車輛充電的能力通常比能夠更快充電的能力更重要。這是因為電池技術落后于當今電源的技術能力，使得向電動汽車電池輸送電能的速度要快于安全充電的速度。

 

服務器電源：數(shù)據(jù)中心當前消耗美國所有電能的 3%。估計在未來 7 年中，這一數(shù)字將上升到 15%。隨著物聯(lián)網部署的增加，預計數(shù)據(jù)中心及其相關的能源和運營成本將成為決定工業(yè)系統(tǒng)和智能工廠效率的關鍵考慮因素。SiC 的優(yōu)勢將在未來幾年內以多種方式幫助提高數(shù)據(jù)中心效率。例如，當今數(shù)據(jù)中心使用的基于 SiC 的 MOSFET 和二極管提高了服務器的熱性能，僅與冷卻相關的能源成本就節(jié)省了 40%。

 

Wolfspeed SiC — 馭動未來的堅實基礎

 

Cree 旗下 Wolfspeed 是 SiC 基功率和射頻（RF）半導體的創(chuàng)新者。Wolfspeed 擁有 30 多年的 SiC 生產和設計經驗，是 SiC 技術的全球領導者。Wolfspeed 提供了豐富的 SiC 基器件產品組合，以幫助優(yōu)化工業(yè)系統(tǒng)和電源設計。

 

隨著對于重量更輕、效率更高和散熱更好的功率器件需求的增長，對于 SiC 的需求也在相應增長。 Wolfspeed 最近啟動了一項為期五年、耗資 10 億美元的投資，計劃將其 SiC 晶圓的制造產能和 SiC 材料的產量提高 30 倍，以滿足到 2024 年所預期的市場增長。

 

Wolfspeed 所生產的寬禁帶半導體器件將賦能正在經歷重大技術轉型的汽車、通訊基礎設施和工業(yè)市場。

 

Wolfspeed SiC 是久經現(xiàn)場考驗的技術，具有業(yè)界領先的可靠性，已經在包括電機驅動、服務器電源、電信和電動汽車充電等諸多重要領域得到采用。從 2010 年到 2020 年，在這些應用中的 SiC 基電源已實現(xiàn)了 6-7 萬億小時的運行時間，并節(jié)省了 6,200 億 kWh 的電能。Wolfspeed 具有業(yè)內最低（<5%）的時間故障率（FIT，1FIT=1 個單位產品在 109小時內出現(xiàn) 1 次故障的情況）。

 

SiC 的獨特屬性有望助力顯著減少全世界的能源消耗。Wolfspeed SiC 提供了業(yè)界領先的開關速度、高性能和出眾的熱性能，這是電源系統(tǒng)設計人員構建節(jié)能型電源基礎架構所需要的。

 

世界依靠能源運轉，Wolfspeed SiC 以更少的能源消耗，賦能未來。

 

 

推薦閱讀：