作者：Michael Williams, Shawn Luke

碳化硅 (SiC) 已成為各行各業(yè)提高效率和推動脫碳的基石。碳化硅是高級電力系統(tǒng)的推動劑，可滿足全球對可再生能源、電動汽車 (EV)、數(shù)據(jù)中心和電網(wǎng)基礎設施日益增長的需求。相比傳統(tǒng)的硅器件，碳化硅技術更具優(yōu)勢，尤其是在功率轉換效率和熱敏感性方面。碳化硅對電子、電力行業(yè)的整體影響可帶來更強的盈利能力和可持續(xù)性。

來自兩家行業(yè)領先半導體公司的專家 Infineon Technologies 工業(yè)和基礎設施營銷總監(jiān) Michael Williams 和 DigiKey 技術營銷工程師 Shawn Luke，分享了他們對碳化硅技術如何影響市場以及下一步發(fā)展的看法。

轉移電耗

Williams 指出：“在過去，絕大部分耗電都與某種電機控制緊密相關，例如工業(yè)自動化應用和工廠、鐵路運輸、用于廢水處理或管道中的石油等流體的移動泵。隨著碳化硅的推出，市場開始轉向提高效率，以減少多個轉換階段的能量損耗并支持高需求應用?！?/p>

這一轉變的重點是脫碳和開發(fā)新一代可再生技術，包括可再生能源系統(tǒng)、電動汽車基礎設施和數(shù)據(jù)中心。通過這種轉變，還將功率轉換效率從 95% 左右提高到 98.5%，這一重大轉變降低了能源損耗，減少了發(fā)熱，并最大限度地降低了冷卻要求。

電網(wǎng)基礎設施

僅將電能從電網(wǎng)或高壓電線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，就會在經(jīng)過多層轉換，同時造成 5-6% 的電能損耗。據(jù)估計，目前僅數(shù)據(jù)中心就占全球能源消耗的 3% ，預計到 2030 年將上升到 4% （《數(shù)據(jù)中心雜志》，2022 年），而且不會放緩。碳化硅可用于數(shù)據(jù)中心電力基礎設施，提高電網(wǎng)級儲能和太陽能中央逆變器的效率并降低系統(tǒng)成本。這種組合式解決方案能夠讓未來的數(shù)據(jù)中心在微電網(wǎng)環(huán)境中運行，從而減輕美國本已緊張的電網(wǎng)的負荷。

Luke 表示：“隨著汽車電氣化的發(fā)展，我們看到許多參考設計都采用了雙向充電和先進的電力電子技術，這意味著可在非高峰時段充電，在高峰時段將電力送回電網(wǎng)。

碳化硅作為一種寬帶隙技術，可在象電動汽車充電之類應用中支持更高的電壓處理能力和更快的開關速度。這可以讓全球電網(wǎng)基礎設施徹底轉型，同時降低系統(tǒng)復雜性和總成本。

用碳化硅技術進行設計

碳化硅技術能很好地解決效率問題，但有時設計人員需要小型產(chǎn)品，這時就需要使用寬帶隙 (WBG) 或硅 (Si) 器件。

Williams 解釋道：“正如設計人員有三種可選擇技術一樣，他們也有三種基本的設計考量。我的目標是實現(xiàn)產(chǎn)品高性價比、結構緊湊還是高效率？如果只需選擇其中任意兩個優(yōu)先項，設計人員就可以選擇硅解決方案。然而，如要在設計中考慮到所有這三個因素，就必須采用寬帶隙器件。如果要讓產(chǎn)品更加緊湊，主要就靠提高開關頻率，以減小系統(tǒng)中的磁性器件和電容器的尺寸?！?/p>

由于碳化硅技術具有寬帶隙功能，因此電壓水平可以更高，這使得下一代技術的實現(xiàn)成為可能。所面臨的挑戰(zhàn)是，碳化硅是一種復雜的基礎材料，其硬度遠高于傳統(tǒng)硅材料。

功率循環(huán)是封裝開發(fā)過程中的關鍵因素，因為功率循環(huán)會對碳化硅芯片與其引線框架或基底之間的互連部分造成應力，這可能導致器件過早失效。開發(fā)新的互連技術以提高未來碳化硅器件的功率循環(huán)性能，對于滿足未來脫碳電網(wǎng)的要求非常重要。

Williams 指出：“與過去的電機驅動應用相比，現(xiàn)在的應用采用了更高的功率循環(huán)。Infineon 一直致力于開發(fā)我們的 .XT 技術，這是一種先進的互連技術，經(jīng)證明，與標準軟焊技術相比，可將功率循環(huán)性能提高 22 倍以上。這項技術的開發(fā)實現(xiàn)了更高的功率密度、更好的散熱性能和最長的系統(tǒng)壽命，使我們能夠向更多的可再生能源轉變。

功率轉換市場的創(chuàng)新

讓這些專家感到興奮的一個領域是電網(wǎng)脫碳，這涉及到化石燃料發(fā)電廠（如煤和石油）的轉換。

Luke 指出：“脫碳既可以在宏觀層面通過電力公司轉向風能、太陽能和水力發(fā)電來實現(xiàn)，也可以在消費者層面通過電動汽車等來實現(xiàn)。借助像碳化硅這樣的助推器，我們將比以往任何時候都更接近微電網(wǎng)，讓電力來源本地化，從而減少轉換和損耗，幫助實現(xiàn)脫碳?！?/p>

他們認為對電力行業(yè)產(chǎn)生重大影響的另一項創(chuàng)新是固態(tài)變壓器的運用。這些設備可以大大增強電網(wǎng)的基礎設施，減少公用事業(yè)場所的規(guī)模、安裝時間和整體復雜性。部署固態(tài)變壓器可實現(xiàn)模塊化高電壓系統(tǒng)和微電網(wǎng)解決方案，從而實現(xiàn)更可持續(xù)的配電。

未來如何發(fā)展？

隨著新技術的不斷涌現(xiàn)，預計碳化硅技術將長期存在。

Williams 表示：“Infineon 專家預測硅功率開關器件將在當前這個十年的剩余時間內(nèi)繼續(xù)主導市場。通過提供硅、碳化硅和氮化鎵三種開關技術產(chǎn)品，讓我們在市場上占據(jù)了獨特地位，而且我們認為寬帶隙功率器件不會對市場總規(guī)模造成威脅?！?/p>

Infineon 等公司正在進行投資，擴大生產(chǎn)規(guī)模，以提高產(chǎn)能，開發(fā)出既能降低碳化硅技術成本，又能提高效率的解決方案。模塊化微電網(wǎng)、分布式直流網(wǎng)絡和聚變反應堆等創(chuàng)新技術即將問世，而碳化硅正是這些技術進步的核心。