用碳化硅提高工业应用中的能源效率

服务器电源，不间断电源（UPS）和电动机驱动器等工业应用消耗了世界上很大一部分功率。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增长。有几个因素正在推动这一增长。首先是全球能源意识的提高，以及越来越迫切地更明智和更有效地使用能源。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。

借助工业4.0等智能行业计划，机器，工厂和工作场所通过连接设备变得更加智能和意识，以实现更大的自治性，效率，可靠性和安全性。但是，工业自动化（例如机器人和机动生产线）伴随着不断增加的使用量和为这些系统供电的电力成本。为了保持竞争力，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平方米的占地面积，因为设备占地面积会直接影响运营成本。

图1：碳化硅（SiC）比传统的碳化硅（Si）具有许多优势。[来源：Wolfshyspeed，Cree公司]

能耗的影响还扩展到数据中心，该数据中心容纳了支持工业应用程序的服务器。通过自动化，人工智能和机器学习来增加数据流量，反过来又增加了保持设备运行所需的处理资源。热性能也很重要，因为数据中心消耗的功率中有20％用于保持数据中心冷却。

对更高效率，更低成本的需求

由于工业设备通常以24/7全天候运行，因此效率的任何提高都可以在大大降低能耗方面迅速转化为实际节省。解决能源问题的最直接方法是提高为这些工业系统提供动力的系统的能源效率。

正如Cree|Wolfspeed的创始人之一约翰帕尔默（JohnPalmour）所说：最便宜的电源就是您不使用的电源。因此，行业，政府和制造商承受着巨大的压力，要求开发更高效的电源。例如，诸如能源之星（EnergyStar）和80Plus之类的标准促进了电源装置（PSU）的高效能耗。通过满足这些标准，PSUOEM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，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继续在这些方面提供一些改进，但是由于开发人员多年来一直致力于从这些系统中获取更多收益，因此收益将受到限制。为了实现重大改进，需要新的方法。

碳化硅交付

碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体基材。它可用作裸露的裸片基板，用于肖特基二极管，MOSFET和功率模块等分立组件。

图2：此图显示了20kWSiCAC/DC转换器的效率。从这些实验结果可以看出，该转换器能够实现大于98.5％的峰值效率，达到80PlusTitanium标准。[来源：Cree公司的Wolfspeed]

历史上，硅（Si）被用作大多数电子应用的半导体基础。但是，与SiC相比，Si是电源系统的低效基础。SiC提供了许多优于Si的优势（见图1）。

这些包括：

●与基于SiC的组件相比，基于SiC的组件具有更低的泄漏电流。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，从而在开关断开时导致较低的泄漏电流损耗。

●SiC具有3电子伏特（eV）的宽带隙，并且能够承受大于Si八倍的电压梯度，而不会发生雪崩击穿。SiC更高的临界击穿强度使它们能够在与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之类的基于SiC的组件。因此，可以可靠地制造非常高电压，高功率的设备，设计人员可以在更窄的范围内工作以提供更高的性能。这些设备可以非常紧密地放置在一起，从而可以提高组件的包装密度。

●较高的热导率导致更有效的热传递。此外，较低的通态电阻可降低传导损耗。

●SiC基组件具有更高的开关频率。更高的SiC开关频率可使峰值效率gt98.5％，从而使系统有可能达到80Plus钛标准（见图2）。

该图显示了20kWSiCAC/DC转换器的效率。从这些实验结果可以看出，该转换器能够实现大于98.5％的峰值效率，达到80PlusTitanium标准。资料来源：Wolfspeed。