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(wǎng)（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(jīng)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(jīng)濟的周邊器件?？梢钥吹剑褂?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(wǎng)。

 

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(wǎng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)現(xiàn)場考驗的技術，具有業(yè)界領先的可靠性，已經(jīng)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。

 

 

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