【導(dǎo)讀】包括服務(wù)器電源、不間斷電源（UPS）和電機(jī)驅(qū)動器在內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用消耗了世界上很大一部分電力。因此，工業(yè)電源效率的任何提高都將大大降低公司的運(yùn)營成本。對于兼具更高功率密度和更好熱性能雙重優(yōu)勢的高效電源的需求，呈現(xiàn)出指數(shù)增長。
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(shù)和服務(wù)導(dǎo)入工業(yè)應(yīng)用。借助工業(yè) 4.0 等智能產(chǎn)業(yè)計(jì)劃，機(jī)器、工廠和工作場所通過連接設(shè)備變得更加智能和具有意識，從而實(shí)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(jī)器人和電控化生產(chǎn)線）應(yīng)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?yàn)樵O(shè)備占地面積會直接影響運(yùn)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(yīng)用的服務(wù)器。通過自動化、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)增加的數(shù)據(jù)流量，反過來又增加了保持設(shè)備運(yùn)行所需的處理資源。散熱性能也很重要，因?yàn)閿?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(shè)備通常是 24 小時/7 天的全天候運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了電源裝置（PSU）的能效提升。通過滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)是：功率密度、散熱性能和轉(zhuǎn)換效率這三個特性。此外，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法將會繼續(xù)在這些方面提供一些改進(jìn)。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(guān)效益并不是取之不竭的。所以，為了實(shí)現(xiàn)重大改進(jìn)，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(dǎo)體基礎(chǔ)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(yīng)用的半導(dǎo)體基礎(chǔ)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(lǐng)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?yàn)殡娮?空穴對在 SiC 中產(chǎn)生的速度比在 Si 中產(chǎn)生的速度慢，從而在開關(guān)斷開時只產(chǎn)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(qiáng)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(shè)備，而設(shè)計(jì)人員也可以在有限的預(yù)算之內(nèi)提供更高的性能。這些設(shè)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(dǎo)率可以更有效地進(jìn)行熱傳導(dǎo)。此外，較低的導(dǎo)通電阻可降低傳導(dǎo)損耗。
• 基于 SiC 的器件具有更高的開關(guān)頻率。更高的 SiC 開關(guān)頻率可使峰值效率>98.5％，從而使系統(tǒng)有望達(dá)到 80 Plus Titanium 標(biāo)準(zhǔn)（見圖 2）。
圖 2：
該圖顯示了 20 kW SiC AC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率。從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)>98.5%的峰值效率，達(dá)到 80 Plus Titanium 標(biāo)準(zhǔn)。
受益于 SiC 的工業(yè)應(yīng)用
憑借這些特性，基于 SiC 的器件使得電源設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率水平。SiC 的影響可以在許多工業(yè)應(yīng)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(fèi)的技術(shù)。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(shí)現(xiàn)的功率最大化。
SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率，從而可以采用更小巧、更經(jīng)濟(jì)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(jì)的周邊器件。可以看到，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(shí)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(shí)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(jìn)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。快速充電站提供了優(yōu)于汽車車載充電機(jī)（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?yàn)樗鼈冎С挚蔁岵灏蔚墓β兽D(zhuǎn)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(kuò)展的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jī)的開關(guān)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)具有更少數(shù)量器件、更小尺寸和更低系統(tǒng)成本，同時實(shí)現(xiàn)了雙向功率傳輸。
圖 5：
從此 AC/DC 轉(zhuǎn)換器框圖中可以看出，使用基于 SiC 的器件可使得設(shè)計(jì)具有更少數(shù)量器件、更小尺寸和更低系統(tǒng)成本，同時實(shí)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(shí)現(xiàn)更高的功率密度（通常提高 65%）。這意味著每個站點(diǎn)都可以提供更多電力，從而可縮短充電時間或每個站點(diǎn)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?yàn)殡姵丶夹g(shù)落后于當(dāng)今電源的技術(shù)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(wù)器電源：數(shù)據(jù)中心當(dāng)前消耗美國所有電能的 3%。估計(jì)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(yù)計(jì)數(shù)據(jù)中心及其相關(guān)的能源和運(yùn)營成本將成為決定工業(yè)系統(tǒng)和智能工廠效率的關(guān)鍵考慮因素。SiC 的優(yōu)勢將在未來幾年內(nèi)以多種方式幫助提高數(shù)據(jù)中心效率。例如，當(dāng)今數(shù)據(jù)中心使用的基于 SiC 的 MOSFET 和二極管提高了服務(wù)器的熱性能，僅與冷卻相關(guān)的能源成本就節(jié)省了 40%。
Wolfspeed SiC — 馭動未來的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)
Cree 旗下 Wolfspeed 是 SiC 基功率和射頻（RF）半導(dǎo)體的創(chuàng)新者。Wolfspeed 擁有 30 多年的 SiC 生產(chǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，是 SiC 技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。Wolfspeed 提供了豐富的 SiC 基器件產(chǎn)品組合，以幫助優(yōu)化工業(yè)系統(tǒng)和電源設(shè)計(jì)。
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(yīng)增長。 Wolfspeed 最近啟動了一項(xiàng)為期五年、耗資 10 億美元的投資，計(jì)劃將其 SiC 晶圓的制造產(chǎn)能和 SiC 材料的產(chǎn)量提高 30 倍，以滿足到 2024 年所預(yù)期的市場增長。
Wolfspeed 所生產(chǎn)的寬禁帶半導(dǎo)體器件將賦能正在經(jīng)歷重大技術(shù)轉(zhuǎn)型的汽車、通訊基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)市場。
Wolfspeed SiC 是久經(jīng)現(xiàn)場考驗(yàn)的技術(shù)，具有業(yè)界領(lǐng)先的可靠性，已經(jīng)在包括電機(jī)驅(qū)動、服務(wù)器電源、電信和電動汽車充電等諸多重要領(lǐng)域得到采用。從 2010 年到 2020 年，在這些應(yīng)用中的 SiC 基電源已實(shí)現(xiàn)了 6-7 萬億小時的運(yùn)行時間，并節(jié)省了 6,200 億 kWh 的電能。Wolfspeed 具有業(yè)內(nèi)最低（<5%）的時間故障率（FIT，1FIT=1 個單位產(chǎn)品在 109小時內(nèi)出現(xiàn) 1 次故障的情況）。
SiC 的獨(dú)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(lǐng)先的開關(guān)速度、高性能和出眾的熱性能，這是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員構(gòu)建節(jié)能型電源基礎(chǔ)架構(gòu)所需要的。
世界依靠能源運(yùn)轉(zhuǎn)，Wolfspeed SiC 以更少的能源消耗，賦能未來。
推薦閱讀：
