服務(wù)器電源、不間斷電源 (UPS) 和電機驅(qū)動器等工業(yè)應(yīng)用消耗了全球很大一部分電力。因此，工業(yè)電源效率的任何提高都將大大降低公司的運營成本。結(jié)合更高的功率密度和更好的熱性能，對高效電源的需求呈指數(shù)級增長。有幾個因素正在推動這種增長。首先是全球能源意識的提高以及更明智、更有效地使用能源的日益緊迫。第二個是物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，它導(dǎo)致將各種新技術(shù)和服務(wù)引入工業(yè)應(yīng)用。

隨著工業(yè) 4.0 等智能工業(yè)計劃，機器、工廠和工作場所通過設(shè)備連接變得更加智能和感知，以實現(xiàn)更大的自主性、效率、可靠性和安全性。然而，工業(yè)自動化，如機器人和機動生產(chǎn)線，伴隨著為這些系統(tǒng)供電的電力使用和成本不斷上升。為了保持競爭力，制造商需要能夠開發(fā)新的運營實踐來降低工廠成本。他們還需要充分利用每一平方米的占地面積，因為設(shè)備占地面積直接影響運營成本。

圖 1：碳化硅 (SiC) 與傳統(tǒng)硅 (Si) 相比具有許多優(yōu)勢。
[來源：Wolfspeed，一家 Cree 公司]

能源消耗的影響還延伸到數(shù)據(jù)中心，其中包含支持工業(yè)應(yīng)用的服務(wù)器。通過自動化、人工智能和機器學(xué)習(xí)增加數(shù)據(jù)流量，反過來又增加了保持設(shè)備運行所需的處理資源?？紤]到數(shù)據(jù)中心高達(dá) 20% 的功耗用于保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的冷卻，熱性能也很重要。

對更高效率、更低成本的需求

由于工業(yè)設(shè)備通常 24/7 全天候運行，因此效率的任何提高都會迅速轉(zhuǎn)化為顯著降低能耗的真正節(jié)省。解決能源問題的最直接方法是提高為這些工業(yè)系統(tǒng)供電的系統(tǒng)的能源效率。

正如 Cree|Wolfspeed 的創(chuàng)始人之一 John Palmour 所說：“最便宜的電源是您不用的電源?！币虼?，行業(yè)、政府和制造商面臨著開發(fā)更高效電源的巨大壓力. 例如，能源之星和 80 Plus 等標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了電源設(shè)備 (PSU) 的高效能源使用。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。三個特性——功率密度、熱性能和轉(zhuǎn)換效率——是電源設(shè)計人員面臨的最大挑戰(zhàn)。此外，設(shè)計人員需要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，同時最大限度地降低整體系統(tǒng)成本。

傳統(tǒng)的電源設(shè)計方法將繼續(xù)在這些領(lǐng)域提供一些改進(jìn)，但由于開發(fā)人員多年來一直專注于從這些系統(tǒng)中榨取更多，因此收益將有限。為了實現(xiàn)顯著的改進(jìn)，需要新的方法。

碳化硅提供

碳化硅 (SiC) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。它可以用作裸片基板，用于肖特基二極管和 MOSFET 等分立元件以及電源模塊。

圖 2：該圖顯示了 20kW SiC AC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率。從這些實驗結(jié)果可以看出，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)。[來源：Wolfspeed，一家 Cree 公司]

從歷史上看，硅 (Si) 已被用作大多數(shù)電子應(yīng)用的半導(dǎo)體基礎(chǔ)。然而，與 SiC 相比，Si 是電源系統(tǒng)的低效基礎(chǔ)。與 Si 相比，SiC 具有許多優(yōu)勢（見圖 1）。

這些包括：

與 Si 組件相比，基于 SiC 的組件具有更低的漏電流。這是因為在 SiC 中生成的電子-空穴對比在 Si 中慢，從而導(dǎo)致開關(guān)關(guān)閉時漏電流損失更低。

SiC 具有 3 電子伏特 (eV) 的寬帶隙，并且能夠承受比 Si 大 8 倍以上的電壓梯度而不會發(fā)生雪崩擊穿。SiC 提高的臨界擊穿強度使組件能夠在與 Si 相同的封裝中承受更高的電壓。因此，與 Si 相比，可以在大約 10 倍的阻斷電壓下創(chuàng)建 MOSFET 等基于 SiC 的組件。因此，可以可靠地制造非常高的電壓、高功率的設(shè)備，并且設(shè)計人員可以在更小的裕度內(nèi)工作以提供更高的性能。這些設(shè)備可以非常靠近地放置在一起，從而實現(xiàn)更大的組件封裝密度。

更高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致更有效的熱傳遞。此外，較低的通態(tài)電阻會降低傳導(dǎo)損耗。

基于 SiC 的組件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率。SiC 更高的開關(guān)頻率可實現(xiàn) > 98.5% 的峰值效率，使系統(tǒng)能夠滿足 80 Plus 鈦標(biāo)準(zhǔn)（見圖 2）。

該圖顯示了 20kW SiC AC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率。從這些實驗結(jié)果可以看出，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)。資料來源：狼速。

審核編輯 黃昊宇

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