使用碳化硅提高工业应用的能效

服务器电源、不间断电源 (UPS) 和电机驱动器等工业应用消耗了全球很大一部分电力。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。结合更高的功率密度和更好的热性能，对高效电源的需求呈指数级增长。有几个因素正在推动这种增长。首先是全球能源意识的提高以及更明智、更有效地使用能源的日益紧迫。第二个是物联网 (IoT)，它导致将各种新技术和服务引入工业应用。

随着工业 4.0 等智能工业计划，机器、工厂和工作场所通过设备连接变得更加智能和感知，以实现更大的自主性、效率、可靠性和安全性。然而，工业自动化，如机器人和机动生产线，伴随着为这些系统供电的电力使用和成本不断上升。为了保持竞争力，制造商需要能够开发新的运营实践来降低工厂成本。他们还需要充分利用每一平方米的占地面积，因为设备占地面积直接影响运营成本。

图 1：碳化硅 (SiC) 与传统硅 (Si) 相比具有许多优势。
[来源：Wolfspeed，一家 Cree 公司]

能源消耗的影响还延伸到数据中心，其中包含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数据流量，反过来又增加了保持设备运行所需的处理资源。考虑到数据中心高达 20% 的功耗用于保持数据中心的冷却，热性能也很重要。

对更高效率、更低成本的需求

由于工业设备通常 24/7 全天候运行，因此效率的任何提高都会迅速转化为显着降低能耗的真正节省。解决能源问题的最直接方法是提高为这些工业系统供电的系统的能源效率。

正如 Cree|Wolfspeed 的创始人之一 John Palmour 所说：“最便宜的电源是您不用的电源。”因此，行业、政府和制造商面临着开发更高效电源的巨大压力. 例如，能源之星和 80 Plus 等标准促进了电源设备 (PSU) 的高效能源使用。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。三个特性——功率密度、热性能和转换效率——是电源设计人员面临的最大挑战。此外，设计人员需要应对这些挑战，同时最大限度地降低整体系统成本。

传统的电源设计方法将继续在这些领域提供一些改进，但由于开发人员多年来一直专注于从这些系统中榨取更多，因此收益将有限。为了实现显着的改进，需要新的方法。

碳化硅提供

碳化硅 (SiC) 是一种宽带隙半导体基础材料。它可以用作裸片基板，用于肖特基二极管和 MOSFET 等分立元件以及电源模块。

图 2：该图显示了 20kW SiC AC/DC 转换器的效率。从这些实验结果可以看出，转换器能够实现> 98.5%的峰值效率，达到80 Plus Titanium标准。[来源：Wolfspeed，一家 Cree 公司]

从历史上看，硅 (Si) 已被用作大多数电子应用的半导体基础。然而，与 SiC 相比，Si 是电源系统的低效基础。与 Si 相比，SiC 具有许多优势（见图 1）。

这些包括：

与 Si 组件相比，基于 SiC 的组件具有更低的漏电流。这是因为在 SiC 中生成的电子-空穴对比在 Si 中慢，从而导致开关关闭时漏电流损失更低。

SiC 具有 3 电子伏特 (eV) 的宽带隙，并且能够承受比 Si 大 8 倍以上的电压梯度而不会发生雪崩击穿。SiC 提高的临界击穿强度使组件能够在与 Si 相同的封装中承受更高的电压。因此，与 Si 相比，可以在大约 10 倍的阻断电压下创建 MOSFET 等基于 SiC 的组件。因此，可以可靠地制造非常高的电压、高功率的设备，并且设计人员可以在更小的裕度内工作以提供更高的性能。这些设备可以非常靠近地放置在一起，从而实现更大的组件封装密度。

更高的热导率导致更有效的热传递。此外，较低的通态电阻会降低传导损耗。

基于 SiC 的组件能够实现更高的开关频率。SiC 更高的开关频率可实现 > 98.5% 的峰值效率，使系统能够满足 80 Plus 钛标准（见图 2）。

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

审核编辑 黄昊宇