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采用碳化硅技术，满足最新能效标准
2022/5/23 10:48:39 材料来源：化合物半导体
由 30 个成员国和 8 个国家协会组成的国际能源署（IEA）于 2021 年 10 月的统计数据再次证实了要推动提高能源消耗的效率。随着各国在能源效率和可再生能源方面的预算持续增长，IEA 指出，针对能源效率的专项预算份额已从 1990 年的 7% 跃升至 2020 年的 26%。
新建发电厂的建设成本超 5 亿美元，建设时间需 2 到 6 年，家用电器市场的复合年均增长率约 7%，其速度超过了将新能源投入正式生产的能力。因此，在制定政策时，主要是围绕全球资源的高效利用进行的讨论。
在美洲，能源之星（ENERGY STAR®）和 80 PLUS® 标准正在推动工程和消费者行为。ENERGY STAR 计划正在明确将其要求扩展到家用和商用电动汽车充电机领域。
在欧洲、中东和非洲（EMEA）地区，为了尽快实现《巴黎协定》设定的在本世纪将全球气温升幅保持在 2°C 以内的目标，人们已将重点转向提高供暖、暖通空调（HVAC）系统的效率上。
大中华区和东南亚地区（GCSEA）也正在通过建立新的贴标和最低能效标准来强调消费电器的效率。举例而言，2020 年 7 月 1 日，中国实施了全球一项最为严格的室内空调设备能效要求，即要求室内空调设备的效率提高 15% 左右。由于该国是此类电器的最大买家和制造商，因此，这一举措可会使能耗和碳足迹显著减少。
通过 Wolfspeed SiC 来满足效率需求
新效率标准直接影响 SiC 需求，这一技术能够满足所有尺寸、重量和功率要求。
▲ 图1：Wolfspeed 产品组合能够满足全部功率扩展需求
Wolfspeed 在 SiC 技术领域占据最大市场份额， 30 多年的功率半导体创新以及超过 17 年的二极管和 MOSFET 生产经验，可帮助设计人员满足关键应用中的标准要求，其中包括电机和开关电源（SMPS），这些产品在众多行业以及一些增长快速的细分领域（如电动汽车充电基础设施）中都有应用。公司的 SiC 器件性能远超传统的Si 元件，并为效率和可靠性设定了新标准。
随时可满足 IEC 电机效率标准
家用电器、工业系统以及越来越多的电动汽车中所使用的电机驱动系统 （EMDS）是最大的单一用电终端。据估计，2009 年，全球 43% 至 46% 的用电和 60.4 亿吨二氧化碳排放来自运行的 EMDS。如果没有政策和标准扶持，到 2030 年，EMDS 每年的用电量将为 13,360 TWh，二氧化碳排放量将为 85.7 亿吨。
国际标准 IEC/EN 60034-30-1 解决了这一应用领域的效率问题。将效率等级从 1（IE1）定义到 IE4 以及即将发布的 IE5，这一标准在 2014 年将其适用范围扩展至额定输入电压为 50 V 至 1 kV、额定输入电流为 120 W 至 1,000 kW 的 2 极、4 极、6 极和 8 极电机。
大多数国家/地区已经或很快将要求最低达到 IE3 效率等级，并且 EMEA 要求在 2023 年 7 月对 75 至 200 kW 范围的电机实施 IE4 等级。对于 2.2 kW 4 极电机而言，从 IE2 转到 IE3 意味着效率要从 84.3% 提高到 86.7%，损耗要减少 15.2%。从 IE3 转到 IE4，则需要损耗减少 21%，因为总效率增到了 89.5%。此类转变将需要重新设计系统，从 Si 转换到 SiC 更易实现这一转变。
对于电动汽车（其采用 90 kW 至 350 kW 以上的动力总成逆变器）而言，提高效率、减小尺寸、减轻重量可最大限度提高车辆续航里程。Wolfspeed 基于 SiC 的设计能使双向设计更为轻松，可实现再生制动，将损耗降低 80%，将尺寸减小 30%，同时降低系统成本，从图 2 中所示的驱动实例可明显看出。
▲ 图2：SiC 逆变器的损耗远低于 Si 基系统（如图）。除上述所列获益外，占用空间和散热需求的减少还可带来成本节省（节省程度因车型而异）
针对开关电源（SMPS）效率的新标准
SMPS 广泛应用于商业、工业、家用电器、能源和电动汽车等细分领域。据估计，仅数据中心这一项应用，2018 年的耗电量就约为 205 TWh ，约占全球用电量的 1%。
80 PLUS 计划的白金和钛金认证要求以及欧盟的欧洲生态设计（ErP）Lot 9 法规（后者计划将于 2026 年 1 月进行更为严格的更新）均超过了 ENERGY STAR 的效率要求�？偶扑阆钅浚∣CP）的 ORV3 PSU 规格要求的损耗比 ORV2 和 80 PLUS 钛金标准要求的少 40%（图 3）。
▲ 图3：新标准要求 PFC 的效率大于 98.55%，DC/DC 级的效率大于 97.12%
这些标准对电源设计提出了新的要求，需要设计人员仔细评估使用的拓扑。虽然在低频管脚带有 Si 二极管的 SiC 基半无桥图腾柱功率因数校正（PFC）可实现 98.9% 的效率，满足最新的 80 PLUS 标准，但 ORV3 将选择转向了全 SiC MOSFET 无桥图腾柱 PFC，以实现 99.1% 的效率。
Wolfspeed C3M™ 650 V SiC MOSFET 特别适合这一应用。其 2.2 kW PFC 参考设计在工业、电动汽车充电机和服务器/电信 PSU 应用中，效率大于 98.5%、THD 小于 5%，达到了 80 PLUS 钛金标准。
电动汽车充电机的 ENERGY STAR 认证
美国政府已批准在未来五年投资 50 亿美元，用于建设 500,000 个DC 快速充电机基础设施，每个充电机每个端口至少能够实现 150 kW ，且同时可为四辆电动汽车充电。与此同时，针对电动汽车供应设备（EVSE）的 ENERGY STAR 规范于 2021 年 3 月 31 日生效，该规范强制要求高达 65 kW 的充电机的最低充电效率为 93%，并将高达 350 kW 的 DC 快速充电机也纳入其适用范围。经认证的电动汽车充电机在待机模式下通常需要能节省约 40% 的能源。
▲ 图4：在全系统采用 Si 与采用 SiC 的22 kW 双向AC-DC 快速充电机比较中，Wolfspeed SiC 将损耗减少了 42%，功率密度增加了 51%，系统成本更低
商业和家庭用户一样都在寻求经过 ENERGY STAR 认证的产品。与 Si 基设计相比，Wolfspeed 的MOSFET 和二极管可在系统成本相当的情况下，使效率提高 1% 至 2%，功率密度增加 35% 至 50%，整体系统所需散热更少，机械外壳体积更小、成本更低，车网互动（V2G）的双向充电效果更胜一筹（图 4）。
专为提高能源效率打造的产品组合
为了满足广泛的设计考量，Wolfspeed 提供了同等广泛的 SiC 产品组合，产品包括从 600 V 至 1700 V 和 3.3 kV 以上以及在开发中的，功率�？榇� 1 A 至扩展近乎 1 kA。无论何种电源应用，Wolfspeed 有 SiC 分立式产品、针对行业标准而构建的更小无基板模块，或占用空间经优化的高功率模块，不仅可帮助设计人员满足最新标准，同时也可以为未来需求做好规划。
敬请访问我们的网站，了解关于我们产品的更多信息，也可向 Wolfspeed 功率半导体应用专家咨询。
英文原稿，敬请访问：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/meet-the-latest-energy-efficiency-standards-with-wolfspeed-silicon-carbide/
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关于 Wolfspeed, Inc.
Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码: WOLF）引领碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术在全球市场的采用。我们为高效能源节约和可持续未来提供业界领先的解决方案。Wolfspeed 产品家族包括了 SiC 材料、功率开关器件、射频器件，针对电动汽车、快速充电、5G、可再生能源和储能、以及航空航天和国防等多种应用。我们通过勤勉工作、合作以及对于创新的热情，开启更多可能。了解更多详情，敬请访问 www.wolfspeed.com。
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