用SiC提高工业应用的能源效率

品慧电子讯包括服务器电源、不间断电源（UPS）和电机驱动器在内的工业应用消耗了世界上很大一部分电力。因此，工业电源效率的任何提高都将大大降低公司的运营成本。对于兼具更高功率密度和更好热性能双重优势的高效电源的需求，呈现出指数增长。

有几个因素在推动这一增长。首先是全球能源意识的提升，以及日益迫切的对于更理智和更有效地使用能源的诉求。第二个是物联网（IoT），它推动了将各种新技术和服务导入工业应用。借助工业 4.0 等智能产业计划，机器、工厂和工作场所通过连接设备变得更加智能和具有意识，从而实现更高的自动性、效率、可靠性和安全性。

但是，随着采用工业自动化（例如机器人和电控化生产线）应用的不断增加、为这些系统供电的电力成本也水涨船高。为保持竞争力，制造商需要能够开发新的操作方法以降低工厂成本。他们还需要充分利用每一寸空间，因为设备占地面积会直接影响运营成本。

能耗的影响还延伸到了数据中心。数据中心装载着支持工业应用的服务器。通过自动化、人工智能和机器学习增加的数据流量，反过来又增加了保持设备运行所需的处理资源。散热性能也很重要，因为数据中心消耗的电能中有 20％是用于数据中心的冷却。

对更高效率、更低成本的需求

由于工业设备通常是 24 小时/7 天的全天候运行，因此效率的任何提高都可以立竿见影地大大降低能耗。解决能源问题的最直接方法是高为这些工业系统提供动力的系统的能效。Cree 和 Wolfspeed 的联合创始人 John Palmour 表示：“最便宜的电力就是你还没在使用的电力。”

因此，行业、政府和制造商都面临巨大压力，需要开发出更高效的电源。例如，诸如能源之星（Energy Star）和 80 Plus 之类的标准促进了电源装置（PSU）的能效提升。通过满足这些标准，PSU OEM 可以轻松地向要求苛刻的市场展示其系统的效率。

电源设计人员面临的最大挑战是：功率密度、散热性能和转换效率这三个特性。此外，设计人员需要在最小化整体系统成本的同时满足这些挑战。

传统的电源设计方法将会继续在这些方面提供一些改进。但由于开发人员多年来一直专注于从这些系统中获取更多效益，而相关效益并不是取之不竭的。所以，为了实现重大改进，我们需要新的方法。

SiC 能够做到

碳化硅（SiC）是一种宽禁带半导体基础材料。它可用作裸片基板，也可以用于肖特基二极管、MOSFET 等分立器件以及功率模块。

历史上，硅（Si）被用作大多数电子应用的半导体基础材料。但与 SiC 相比，基于 Si 的电源系统在能效方面相形见绌。SiC 提供了诸多领先 Si 的优势（见图 1）。

图 1

与传统的 Si 相比，SiC 具有诸多优势。

优势包括：

• SiC 基器件的漏电流低于 Si 基器件。这是因为电子-空穴对在 SiC 中产生的速度比在 Si 中产生的速度慢，从而在开关断开时只产生较低的漏电流损耗。

• SiC 具有 3 电子伏特（eV）的宽带隙，能够承受 8 倍大于 Si 的电压梯度，而不会发生雪崩击穿。SiC 更高的临界击穿强度，使其能够在与 Si 相同的封装中承受更高电压。因此，可以开发出类似 SiC 基 MOSFET 器件，其阻断电压大约是 Si 基方案的 10 倍。从而，我们可以可靠地制造极高电压、高功率的设备，而设计人员也可以在有限的预算之内提供更高的性能。这些设备可以非常紧密地放置在一起，从而提高器件的封装密度。

• 更高的热导率可以更有效地进行热传导。此外，较低的导通电阻可降低传导损耗。

• 基于 SiC 的器件具有更高的开关频率。更高的 SiC 开关频率可使峰值效率>98.5％，从而使系统有望达到 80 Plus Titanium 标准（见图 2）。

图 2：

该图显示了 20 kW SiC AC/DC 转换器的效率。从这些实验结果可以看出，该转换器能够实现>98.5%的峰值效率，达到 80 Plus Titanium 标准。

受益于 SiC 的工业应用

凭借这些特性，基于 SiC 的器件使得电源设计人员能够实现更高的效率水平。SiC 的影响可以在许多工业应用中看到：

功率因数校正（PFC）：PFC 是一种可通过增加电源的功率因数来显著降低电力浪费的技术。如果没有 PFC，电源将以高幅度窄脉冲消耗电流。使用 PFC，可以平顺处理这些脉冲，以减少输入均方根（RMS）电流和视在输入功率。这有效地整形了输入电流，以使

电源实现的功率最大化。

SiC 能够实现更高频率，从而可以采用更小巧、更经济的周边器件（见图 3）。

SiC 所带来的更高频率，允许采用更小巧、更经济的周边器件。可以看到，使用 SiCMOSFET 的混合方案只需更少数量的器件，更具成本效益，并实现了更高功率密度。

可以看到，使用 SiC MOSFET 的混合方案只需更少数量的器件，更具成本效益，并实现了更高功率密度。这样就可以减小系统尺寸、降低重量和成本（见图 4）。此外，除了减少总体能耗外，所获得的更高效率还改善了散热性能，从而进一步减小了电源的尺寸、降低了重量。

图 4：

SiC 与传统 Si 相比具有明显优势。

电动汽车充电：电动汽车需要高效且快速的充电，以最大程度地减少车辆的停驶时间。快速充电站提供了优于汽车车载充电机（OBC）的显著优势，其充电时间为 30 分钟，而OBC 则为 4 小时以上。充电站更灵活，因为它们支持可热插拔的功率转换模块，以最大限度地延长有效充电时间。充电站还能以可扩展的方式进行设计，从而加快了面世时间并降低了研发成本。为获得成功，充电站必须提供高效率、更高的功率密度、耐用度、可靠性以及双向能量流，以赋能智能电网。

基于 SiC 的充电机的开关速度提高了 2-3 倍、损耗降低了 30%、所需的器件数量减少了30%。从 AC/DC 转换器的框图中可以看出（见图 5），使用基于 SiC 的器件可使得设计具有更少数量器件、更小尺寸和更低系统成本，同时实现了双向功率传输。

图 5：

从此 AC/DC 转换器框图中可以看出，使用基于 SiC 的器件可使得设计具有更少数量器件、更小尺寸和更低系统成本，同时实现了双向功率传输。

此外，SiC 的更高效率和更好散热性能，可实现更高的功率密度（通常提高 65%）。这意味着每个站点都可以提供更多电力，从而可缩短充电时间或每个站点可为更多车辆充电。眼下，为更多车辆充电的能力通常比能够更快充电的能力更重要。这是因为电池技术落后于当今电源的技术能力，使得向电动汽车电池输送电能的速度要快于安全充电的速度。

服务器电源：数据中心当前消耗美国所有电能的 3%。估计在未来 7 年中，这一数字将上升到 15%。随着物联网部署的增加，预计数据中心及其相关的能源和运营成本将成为决定工业系统和智能工厂效率的关键考虑因素。SiC 的优势将在未来几年内以多种方式帮助提高数据中心效率。例如，当今数据中心使用的基于 SiC 的 MOSFET 和二极管提高了服务器的热性能，仅与冷却相关的能源成本就节省了 40%。

Wolfspeed SiC — 驭动未来的坚实基础

Cree 旗下 Wolfspeed 是 SiC 基功率和射频（RF）半导体的创新者。Wolfspeed 拥有 30 多年的 SiC 生产和设计经验，是 SiC 技术的全球领导者。Wolfspeed 提供了丰富的 SiC 基器件产品组合，以帮助优化工业系统和电源设计。

随着对于重量更轻、效率更高和散热更好的功率器件需求的增长，对于 SiC 的需求也在相应增长。 Wolfspeed 最近启动了一项为期五年、耗资 10 亿美元的投资，计划将其 SiC 晶圆的制造产能和 SiC 材料的产量提高 30 倍，以满足到 2024 年所预期的市场增长。

Wolfspeed 所生产的宽禁带半导体器件将赋能正在经历重大技术转型的汽车、通讯基础设施和工业市场。

Wolfspeed SiC 是久经现场考验的技术，具有业界领先的可靠性，已经在包括电机驱动、服务器电源、电信和电动汽车充电等诸多重要领域得到采用。从 2010 年到 2020 年，在这些应用中的 SiC 基电源已实现了 6-7 万亿小时的运行时间，并节省了 6,200 亿 kWh 的电能。Wolfspeed 具有业内最低（<5%）的时间故障率（FIT，1FIT=1 个单位产品在 109小时内出现 1 次故障的情况）。

SiC 的独特属性有望助力显著减少全世界的能源消耗。Wolfspeed SiC 提供了业界领先的开关速度、高性能和出众的热性能，这是电源系统设计人员构建节能型电源基础架构所需要的。

世界依靠能源运转，Wolfspeed SiC 以更少的能源消耗，赋能未来。

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