作者：Michael Williams, Shawn Luke

碳化硅 (SiC) 已成為各行各業(yè)提高效率和推動(dòng)脫碳的基石。碳化硅是高級(jí)電力系統(tǒng)的推動(dòng)劑，可滿足全球?qū)稍偕茉?、電?dòng)汽車 (EV)、數(shù)據(jù)中心和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施日益增長(zhǎng)的需求。相比傳統(tǒng)的硅器件，碳化硅技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，尤其是在功率轉(zhuǎn)換效率和熱敏感性方面。碳化硅對(duì)電子、電力行業(yè)的整體影響可帶來(lái)更強(qiáng)的盈利能力和可持續(xù)性。

來(lái)自兩家行業(yè)領(lǐng)先半導(dǎo)體公司的專家 Infineon Technologies 工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施營(yíng)銷總監(jiān) Michael Williams 和 DigiKey 技術(shù)營(yíng)銷工程師 Shawn Luke，分享了他們對(duì)碳化硅技術(shù)如何影響市場(chǎng)以及下一步發(fā)展的看法。

轉(zhuǎn)移電耗

Williams 指出：“在過(guò)去，絕大部分耗電都與某種電機(jī)控制緊密相關(guān)，例如工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用和工廠、鐵路運(yùn)輸、用于廢水處理或管道中的石油等流體的移動(dòng)泵。隨著碳化硅的推出，市場(chǎng)開始轉(zhuǎn)向提高效率，以減少多個(gè)轉(zhuǎn)換階段的能量損耗并支持高需求應(yīng)用?！?/p>

這一轉(zhuǎn)變的重點(diǎn)是脫碳和開發(fā)新一代可再生技術(shù)，包括可再生能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心。通過(guò)這種轉(zhuǎn)變，還將功率轉(zhuǎn)換效率從 95% 左右提高到 98.5%，這一重大轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)施

僅將電能從電網(wǎng)或高壓電線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，就會(huì)在經(jīng)過(guò)多層轉(zhuǎn)換，同時(shí)造成 5-6% 的電能損耗。據(jù)估計(jì)，目前僅數(shù)據(jù)中心就占全球能源消耗的 3% ，預(yù)計(jì)到 2030 年將上升到 4% （《數(shù)據(jù)中心雜志》，2022 年），而且不會(huì)放緩。碳化硅可用于數(shù)據(jù)中心電力基礎(chǔ)設(shè)施，提高電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能和太陽(yáng)能中央逆變器的效率并降低系統(tǒng)成本。這種組合式解決方案能夠讓未來(lái)的數(shù)據(jù)中心在微電網(wǎng)環(huán)境中運(yùn)行，從而減輕美國(guó)本已緊張的電網(wǎng)的負(fù)荷。

Luke 表示：“隨著汽車電氣化的發(fā)展，我們看到許多參考設(shè)計(jì)都采用了雙向充電和先進(jìn)的電力電子技術(shù)，這意味著可在非高峰時(shí)段充電，在高峰時(shí)段將電力送回電網(wǎng)。

碳化硅作為一種寬帶隙技術(shù)，可在象電動(dòng)汽車充電之類應(yīng)用中支持更高的電壓處理能力和更快的開關(guān)速度。這可以讓全球電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施徹底轉(zhuǎn)型，同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜性和總成本。

用碳化硅技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)

碳化硅技術(shù)能很好地解決效率問(wèn)題，但有時(shí)設(shè)計(jì)人員需要小型產(chǎn)品，這時(shí)就需要使用寬帶隙 (WBG) 或硅 (Si) 器件。

Williams 解釋道：“正如設(shè)計(jì)人員有三種可選擇技術(shù)一樣，他們也有三種基本的設(shè)計(jì)考量。我的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高性價(jià)比、結(jié)構(gòu)緊湊還是高效率？如果只需選擇其中任意兩個(gè)優(yōu)先項(xiàng)，設(shè)計(jì)人員就可以選擇硅解決方案。然而，如要在設(shè)計(jì)中考慮到所有這三個(gè)因素，就必須采用寬帶隙器件。如果要讓產(chǎn)品更加緊湊，主要就靠提高開關(guān)頻率，以減小系統(tǒng)中的磁性器件和電容器的尺寸?！?/p>

由于碳化硅技術(shù)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(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。所面臨的挑戰(zhàn)是，碳化硅是一種復(fù)雜的基礎(chǔ)材料，其硬度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅材料。

功率循環(huán)是封裝開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵因素，因?yàn)楣β恃h(huán)會(huì)對(duì)碳化硅芯片與其引線框架或基底之間的互連部分造成應(yīng)力，這可能導(dǎo)致器件過(guò)早失效。開發(fā)新的互連技術(shù)以提高未來(lái)碳化硅器件的功率循環(huán)性能，對(duì)于滿足未來(lái)脫碳電網(wǎng)的要求非常重要。

Williams 指出：“與過(guò)去的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用相比，現(xiàn)在的應(yīng)用采用了更高的功率循環(huán)。Infineon 一直致力于開發(fā)我們的 .XT 技術(shù)，這是一種先進(jìn)的互連技術(shù)，經(jīng)證明，與標(biāo)準(zhǔn)軟焊技術(shù)相比，可將功率循環(huán)性能提高 22 倍以上。這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度、更好的散熱性能和最長(zhǎng)的系統(tǒng)壽命，使我們能夠向更多的可再生能源轉(zhuǎn)變。

功率轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的創(chuàng)新

讓這些專家感到興奮的一個(gè)領(lǐng)域是電網(wǎng)脫碳，這涉及到化石燃料發(fā)電廠（如煤和石油）的轉(zhuǎn)換。

Luke 指出：“脫碳既可以在宏觀層面通過(guò)電力公司轉(zhuǎn)向風(fēng)能、太陽(yáng)能和水力發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以在消費(fèi)者層面通過(guò)電動(dòng)汽車等來(lái)實(shí)現(xiàn)。借助像碳化硅這樣的助推器，我們將比以往任何時(shí)候都更接近微電網(wǎng)，讓電力來(lái)源本地化，從而減少轉(zhuǎn)換和損耗，幫助實(shí)現(xiàn)脫碳?！?/p>

他們認(rèn)為對(duì)電力行業(yè)產(chǎn)生重大影響的另一項(xiàng)創(chuàng)新是固態(tài)變壓器的運(yùn)用。這些設(shè)備可以大大增強(qiáng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，減少公用事業(yè)場(chǎng)所的規(guī)模、安裝時(shí)間和整體復(fù)雜性。部署固態(tài)變壓器可實(shí)現(xiàn)模塊化高電壓系統(tǒng)和微電網(wǎng)解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的配電。

未來(lái)如何發(fā)展？

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，預(yù)計(jì)碳化硅技術(shù)將長(zhǎng)期存在。

Williams 表示：“Infineon 專家預(yù)測(cè)硅功率開關(guān)器件將在當(dāng)前這個(gè)十年的剩余時(shí)間內(nèi)繼續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng)。通過(guò)提供硅、碳化硅和氮化鎵三種開關(guān)技術(shù)產(chǎn)品，讓我們?cè)谑袌?chǎng)上占據(jù)了獨(dú)特地位，而且我們認(rèn)為寬帶隙功率器件不會(huì)對(duì)市場(chǎng)總規(guī)模造成威脅?！?/p>

Infineon 等公司正在進(jìn)行投資，擴(kuò)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(shù)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(luò)和聚變反應(yīng)堆等創(chuàng)新技術(shù)即將問(wèn)世，而碳化硅正是這些技術(shù)進(jìn)步的核心。