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用SiC提高工業應用的能源效率

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年03月29日  

包括服務器電源、不間斷電源(UPS)和電機驅動器在內的工業應用消耗了世界上很大一部分電力。因此,工業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勢的高效電源的需求,呈現出指數增長。


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。第二個是物聯網(IoT),它推動了將各種新技術和服務導入工業應用。借助工業4.0等智能產業計劃,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,從而實現更高的自動性、效率、可靠性和安全性。


但是,隨著采用工業自動化(例如機器人和電控化生產線)應用的不斷增加、為這些系統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據中心。數據中心裝載著支持工業應用的服務器。通過自動化、人工智能和機器學習增加的數據流量,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,因為數據中心消耗的電能中有20%是用于數據中心的冷卻。


對更高效率、更低成本的需求


由于工業設備通常是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系統提供動力的系統的能效。Cree和Wolfspeed的聯合創始人JohnPalmour表示:最便宜的電力就是你還沒在使用的電力。


因此,行業、政府和制造商都面臨巨大壓力,需要開發出更高效的電源。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的效率。


電源設計人員面臨的最大挑戰是: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成本的同時滿足這些挑戰。


傳統的電源設計方法將會繼續在這些方面提供一些改進。但由于開發人員多年來一直專注于從這些系統中獲取更多效益,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的電源系統在能效方面相形見絀。SiC提供了諸多領先Si的優勢(見圖1)。


圖1


與傳統的Si相比,SiC具有諸多優勢。


優勢包括:


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中產生的速度比在Si中產生的速度慢,從而在開關斷開時只產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98.5%的峰值效率,達到80PlusTitanium標準。


受益于SiC的工業應用


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


功率因數校正(PFC):PFC是一種可通過增加電源的功率因數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


電源實現的功率最大化。


SiC能夠實現更高頻率,從而可以采用更小巧、更經濟的周邊器件(見圖3)。


SiC所帶來的更高頻率,允許采用更小巧、更經濟的周邊器件。可以看到,使用SiCMOSFET的混合方案只需更少數量的器件,更具成本效益,并實現了更高功率密度。


可以看到,使用SiCMOSFET的混合方案只需更少數量的器件,更具成本效益,并實現了更高功率密度。這樣就可以減小系統尺寸、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Si相比具有明顯優勢。


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于汽車車載充電機(OBC)的顯著優勢,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。


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量器件、更小尺寸和更低系統成本,同時實現了雙向功率傳輸。


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量器件、更小尺寸和更低系統成本,同時實現了雙向功率傳輸。


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:數據中心當前消耗美國所有電能的3%。估計在未來7年中,這一數字將上升到15%。隨著物聯網部署的增加,預計數據中心及其相關的能源和運營成本將成為決定工業系統和智能工廠效率的關鍵考慮因素。SiC的優勢將在未來幾年內以多種方式幫助提高數據中心效率。例如,當今數據中心使用的基于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)半導體的創新者。Wolfspeed擁有30多年的SiC生產和設計經驗,是SiC技術的全球領導者。Wolfspeed提供了豐富的SiC基器件產品組合,以幫助優化工業系統和電源設計。


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晶圓的制造產能和SiC材料的產量提高30倍,以滿足到2024年所預期的市場增長。


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


WolfspeedSiC是久經現場考驗的技術,具有業界領先的可靠性,已經在包括電機驅動、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基電源已實現了6-7萬億小時的運行時間,并節省了6,200億kWh的電能。Wolfspeed具有業內最低(5%)的時間故障率(FIT,1FIT=1個單位產品在109小時內出現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提供了業界領先的開關速度、高性能和出眾的熱性能,這是電源系統設計人員構建節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。


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