包括服務器電源、不間斷電源（UPS）和電機驅動器在內(nèi)的工業(yè)應用消耗了世界上很大一部分電力。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。對于兼具更高功率密度和更好熱性能雙重優(yōu)勢的高效電源的需求，呈現(xiàn)出指數(shù)增長。

有幾個因素在推動這一增長。首先是全球能源意識的提升，以及日益迫切的對于更理智和更有效地使用能源的訴求。第二個是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），它推動了將各種新技術和服務導入工業(yè)應用。借助工業(yè)4.0等智能產(chǎn)業(yè)計劃，機器、工廠和工作場所通過連接設備變得更加智能和具有意識，從而實現(xiàn)更高的自動性、效率、可靠性和安全性。

但是，隨著采用工業(yè)自動化（例如機器人和電控化生產(chǎn)線）應用的不斷增加、為這些系統(tǒng)供電的電力成本也水漲船高。為保持競爭力，制造商需要能夠開發(fā)新的操作方法以降低工廠成本。他們還需要充分利用每一寸空間，因為設備占地面積會直接影響運營成本。

能耗的影響還延伸到了數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心裝載著支持工業(yè)應用的服務器。通過自動化、人工智能和機器學習增加的數(shù)據(jù)流量，反過來又增加了保持設備運行所需的處理資源。散熱性能也很重要，因為數(shù)據(jù)中心消耗的電能中有20％是用于數(shù)據(jù)中心的冷卻。

對更高效率、更低成本的需求

由于工業(yè)設備通常是24小時/7天的全天候運行，因此效率的任何提高都可以立竿見影地大大降低能耗。解決能源問題的最直接方法是高為這些工業(yè)系統(tǒng)提供動力的系統(tǒng)的能效。Cree和Wolfspeed的聯(lián)合創(chuàng)始人JohnPalmour表示：最便宜的電力就是你還沒在使用的電力。

因此，行業(yè)、政府和制造商都面臨巨大壓力，需要開發(fā)出更高效的電源。例如，諸如能源之星（EnergyStar）和80Plus之類的標準促進了電源裝置（PSU）的能效提升。通過滿足這些標準，PSUOEM可以輕松地向要求苛刻的市場展示其系統(tǒng)的效率。

電源設計人員面臨的最大挑戰(zhàn)是：功率密度、散熱性能和轉換效率這三個特性。此外，設計人員需要在最小化整體系統(tǒng)成本的同時滿足這些挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的電源設計方法將會繼續(xù)在這些方面提供一些改進。但由于開發(fā)人員多年來一直專注于從這些系統(tǒng)中獲取更多效益，而相關效益并不是取之不竭的。所以，為了實現(xiàn)重大改進，我們需要新的方法。

SiC能夠做到

碳化硅（SiC）是一種寬禁帶半導體基礎材料。它可用作裸片基板，也可以用于肖特基二極管、MOSFET等分立器件以及功率模塊。

歷史上，硅（Si）被用作大多數(shù)電子應用的半導體基礎材料。但與SiC相比，基于Si的電源系統(tǒng)在能效方面相形見絀。SiC提供了諸多領先Si的優(yōu)勢（見圖1）。

圖1

與傳統(tǒng)的Si相比，SiC具有諸多優(yōu)勢。

優(yōu)勢包括：

bullSiC基器件的漏電流低于Si基器件。這是因為電子-空穴對在SiC中產(chǎn)生的速度比在Si中產(chǎn)生的速度慢，從而在開關斷開時只產(chǎn)生較低的漏電流損耗。

bullSiC具有3電子伏特（eV）的寬帶隙，能夠承受8倍大于Si的電壓梯度，而不會發(fā)生雪崩擊穿。SiC更高的臨界擊穿強度，使其能夠在與Si相同的封裝中承受更高電壓。因此，可以開發(fā)出類似SiC基MOSFET器件，其阻斷電壓大約是Si基方案的10倍。從而，我們可以可靠地制造極高電壓、高功率的設備，而設計人員也可以在有限的預算之內(nèi)提供更高的性能。這些設備可以非常緊密地放置在一起，從而提高器件的封裝密度。

bull更高的熱導率可以更有效地進行熱傳導。此外，較低的導通電阻可降低傳導損耗。

bull基于SiC的器件具有更高的開關頻率。更高的SiC開關頻率可使峰值效率98.5％，從而使系統(tǒng)有望達到80PlusTitanium標準（見圖2）。

圖2：

該圖顯示了20kWSiCAC/DC轉換器的效率。從這些實驗結果可以看出，該轉換器能夠實現(xiàn)98.5%的峰值效率，達到80PlusTitanium標準。

受益于SiC的工業(yè)應用

憑借這些特性，基于SiC的器件使得電源設計人員能夠實現(xiàn)更高的效率水平。SiC的影響可以在許多工業(yè)應用中看到：

功率因數(shù)校正（PFC）：PFC是一種可通過增加電源的功率因數(shù)來顯著降低電力浪費的技術。如果沒有PFC，電源將以高幅度窄脈沖消耗電流。使用PFC，可以平順處理這些脈沖，以減少輸入均方根（RMS）電流和視在輸入功率。這有效地整形了輸入電流，以使

電源實現(xiàn)的功率最大化。

SiC能夠實現(xiàn)更高頻率，從而可以采用更小巧、更經(jīng)濟的周邊器件（見圖3）。

SiC所帶來的更高頻率，允許采用更小巧、更經(jīng)濟的周邊器件?？梢钥吹剑褂肧iCMOSFET的混合方案只需更少數(shù)量的器件，更具成本效益，并實現(xiàn)了更高功率密度。

可以看到，使用SiCMOSFET的混合方案只需更少數(shù)量的器件，更具成本效益，并實現(xiàn)了更高功率密度。這樣就可以減小系統(tǒng)尺寸、降低重量和成本（見圖4）。此外，除了減少總體能耗外，所獲得的更高效率還改善了散熱性能，從而進一步減小了電源的尺寸、降低了重量。

圖4：

SiC與傳統(tǒng)Si相比具有明顯優(yōu)勢。

電動汽車充電：電動汽車需要高效且快速的充電，以最大程度地減少車輛的停駛時間。快速充電站提供了優(yōu)于汽車車載充電機（OBC）的顯著優(yōu)勢，其充電時間為30分鐘，而OBC則為4小時以上。充電站更靈活，因為它們支持可熱插拔的功率轉換模塊，以最大限度地延長有效充電時間。充電站還能以可擴展的方式進行設計，從而加快了面世時間并降低了研發(fā)成本。為獲得成功，充電站必須提供高效率、更高的功率密度、耐用度、可靠性以及雙向能量流，以賦能智能電網(wǎng)。

基于SiC的充電機的開關速度提高了2-3倍、損耗降低了30%、所需的器件數(shù)量減少了30%。從AC/DC轉換器的框圖中可以看出（見圖5），使用基于SiC的器件可使得設計具有更少數(shù)量器件、更小尺寸和更低系統(tǒng)成本，同時實現(xiàn)了雙向功率傳輸。

圖5：

從此AC/DC轉換器框圖中可以看出，使用基于SiC的器件可使得設計具有更少數(shù)量器件、更小尺寸和更低系統(tǒng)成本，同時實現(xiàn)了雙向功率傳輸。

此外，SiC的更高效率和更好散熱性能，可實現(xiàn)更高的功率密度（通常提高65%）。這意味著每個站點都可以提供更多電力，從而可縮短充電時間或每個站點可為更多車輛充電。眼下，為更多車輛充電的能力通常比能夠更快充電的能力更重要。這是因為電池技術落后于當今電源的技術能力，使得向電動汽車電池輸送電能的速度要快于安全充電的速度。

服務器電源：數(shù)據(jù)中心當前消耗美國所有電能的3%。估計在未來7年中，這一數(shù)字將上升到15%。隨著物聯(lián)網(wǎng)部署的增加，預計數(shù)據(jù)中心及其相關的能源和運營成本將成為決定工業(yè)系統(tǒng)和智能工廠效率的關鍵考慮因素。SiC的優(yōu)勢將在未來幾年內(nèi)以多種方式幫助提高數(shù)據(jù)中心效率。例如，當今數(shù)據(jù)中心使用的基于SiC的MOSFET和二極管提高了服務器的熱性能，僅與冷卻相關的能源成本就節(jié)省了40%。

WolfspeedSiC馭動未來的堅實基礎

Cree旗下Wolfspeed是SiC基功率和射頻（RF）半導體的創(chuàng)新者。Wolfspeed擁有30多年的SiC生產(chǎn)和設計經(jīng)驗，是SiC技術的全球領導者。Wolfspeed提供了豐富的SiC基器件產(chǎn)品組合，以幫助優(yōu)化工業(yè)系統(tǒng)和電源設計。

隨著對于重量更輕、效率更高和散熱更好的功率器件需求的增長，對于SiC的需求也在相應增長。Wolfspeed最近啟動了一項為期五年、耗資10億美元的投資，計劃將其SiC晶圓的制造產(chǎn)能和SiC材料的產(chǎn)量提高30倍，以滿足到2024年所預期的市場增長。

Wolfspeed所生產(chǎn)的寬禁帶半導體器件將賦能正在經(jīng)歷重大技術轉型的汽車、通訊基礎設施和工業(yè)市場。

WolfspeedSiC是久經(jīng)現(xiàn)場考驗的技術，具有業(yè)界領先的可靠性，已經(jīng)在包括電機驅動、服務器電源、電信和電動汽車充電等諸多重要領域得到采用。從2010年到2020年，在這些應用中的SiC基電源已實現(xiàn)了6-7萬億小時的運行時間，并節(jié)省了6,200億kWh的電能。Wolfspeed具有業(yè)內(nèi)最低（5%）的時間故障率（FIT，1FIT=1個單位產(chǎn)品在109小時內(nèi)出現(xiàn)1次故障的情況）。

SiC的獨特屬性有望助力顯著減少全世界的能源消耗。WolfspeedSiC提供了業(yè)界領先的開關速度、高性能和出眾的熱性能，這是電源系統(tǒng)設計人員構建節(jié)能型電源基礎架構所需要的。

世界依靠能源運轉，WolfspeedSiC以更少的能源消耗，賦能未來。