作者： Infineon Technologies AG 工業(yè)和基礎設施營銷總監(jiān) Michael Williams、DigiKey 技術營銷工程師 Shawn Luke

碳化硅 (SiC) 器件已成為各行各業(yè)提高效率和推動去碳化的基石。碳化硅器件是先進電力系統(tǒng)的推動產(chǎn)品，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，碳化硅技術具有優(yōu)勢，尤其是在功率轉換效率和熱敏感性方面。碳化硅器件對電子、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。

轉移耗電量

Williams 說：“在過去，絕大部分耗電量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。隨著碳化硅產(chǎn)品的推出，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”。

這一轉變的重點是去碳化和開發(fā)新一代可再生技術，包括可再生能源系統(tǒng)、EV 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

僅僅是將電能從電網(wǎng)或高壓電線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，就會造成 5 - 6% 的電能損耗，因為電能需要經(jīng)過多層轉換。據(jù)估計，目前僅數(shù)據(jù)中心的能耗就占全球能耗的 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。碳化硅器件可用于數(shù)據(jù)中心的電力基礎設施，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。這種組合解決方案可使未來的數(shù)據(jù)中心在微電網(wǎng)環(huán)境中運行，從而減輕本已緊張的美國電網(wǎng)負荷。

Luke 說：“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)。

碳化硅器件作為一種寬帶隙技術，可在象 EV 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。這使得全球電網(wǎng)基礎設施得以徹底轉型，同時降低系統(tǒng)復雜性和總成本。

采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。  

“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慮因素。我的目標是實現(xiàn)產(chǎn)品高性價比、結構緊湊還是高效率？”Williams 解釋說，“選擇其中任意兩個優(yōu)先事項，設計人員就可以選擇硅解決方案。然而，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。緊湊型產(chǎn)品的主要驅動力是提高開關頻率，以減小系統(tǒng)中的磁性器件和電容器的尺寸。”

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施成為可能。所面臨的挑戰(zhàn)是，碳化硅是一種復雜的材料，因為這是它一種硬度遠高于傳統(tǒng)硅材料的基礎材料。

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，對于滿足未來去碳化電網(wǎng)的要求非常重要。  

"Williams 說："與過去的電機驅動應用相比，現(xiàn)在的應用需要更高的功率循環(huán)性能。Infineon 一直專注于開發(fā)我們的 .XT 技術，這是一種先進的互連技術，與標準軟焊技術相比，經(jīng)證明可將功率循環(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、更優(yōu)的散熱性能和最長的系統(tǒng)壽命，從而實現(xiàn)向更多可再生能源的轉型。”

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)去碳化，這涉及到從化石燃料發(fā)電廠（如煤和石油）的過渡。

Luke 說：“既可以在宏觀層面通過電力公司正在進行的轉向風能、太陽能和水電的轉型實現(xiàn)去碳化，也可以在消費者層面通過電動汽車等實現(xiàn)去碳化。借助像碳化硅器件這樣的推動產(chǎn)品，我們比以往任何時候都更接近微電網(wǎng)，從而實現(xiàn)電能來源本地化，減少轉換和損耗，并助力去碳化"。

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)變壓器的應用。固態(tài)變壓器可以大大增強電網(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)模塊化高壓系統(tǒng)和微電網(wǎng)解決方案，以使配電更具可持續(xù)行。

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 說，"Infineon 專家預測硅功率開關器件將在本十年的剩余時間內繼續(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。”

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的成本，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，而碳化硅器件正是這些技術進步的核心。

通過與其全球分銷商 DigiKey 建立穩(wěn)固的合作伙伴關系，通過無最低訂購量和高可用性分銷模式快速部署新技術，設計人員和工程師已做好充分準備，以應對未來的各種挑戰(zhàn)。有關電源解決方案的更多信息，請訪問 DigiKey.com。