由 30 個成員國和 8 個國家協(xié)會組成的國際能源署（IEA）于 2021 年 10 月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)再次證實了要推動提高能源消耗的效率。隨著各國在能源效率和可再生能源方面的預(yù)算持續(xù)增長，IEA 指出，針對能源效率的專項預(yù)算份額已從 1990 年的 7% 躍升至 2020 年的 26%。

 

新建發(fā)電廠的建設(shè)成本超 5 億美元，建設(shè)時間需 2 到 6 年，家用電器市場的復(fù)合年均增長率約 7%，其速度超過了將新能源投入正式生產(chǎn)的能力。因此，在制定政策時，主要是圍繞全球資源的高效利用進(jìn)行的討論。

 

在美洲，能源之星（ENERGY STAR®）和 80 PLUS® 標(biāo)準(zhǔn)正在推動工程和消費(fèi)者行為。ENERGY STAR 計劃正在明確將其要求擴(kuò)展到家用和商用電動汽車充電機(jī)領(lǐng)域。

 

在歐洲、中東和非洲（EMEA）地區(qū)，為了盡快實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的在本世紀(jì)將全球氣溫升幅保持在 2°C 以內(nèi)的目標(biāo)，人們已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向提高供暖、暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的效率上。

 

大中華區(qū)和東南亞地區(qū)（GCSEA）也正在通過建立新的貼標(biāo)和最低能效標(biāo)準(zhǔn)來強(qiáng)調(diào)消費(fèi)電器的效率。舉例而言，2020 年 7 月 1 日，中國實施了全球一項最為嚴(yán)格的室內(nèi)空調(diào)設(shè)備能效要求，即要求室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的效率提高 15% 左右。由于該國是此類電器的最大買家和制造商，因此，這一舉措可會使能耗和碳足跡顯著減少。

 

 

新效率標(biāo)準(zhǔn)直接影響 SiC 需求，這一技術(shù)能夠滿足所有尺寸、重量和功率要求。

 

▲ 圖1：Wolfspeed 產(chǎn)品組合能夠滿足全部功率擴(kuò)展需求

 

Wolfspeed 在 SiC 技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)最大市場份額， 30 多年的功率半導(dǎo)體創(chuàng)新以及超過 17 年的二極管和 MOSFET 生產(chǎn)經(jīng)驗，可幫助設(shè)計人員滿足關(guān)鍵應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)要求，其中包括電機(jī)和開關(guān)電源（SMPS），這些產(chǎn)品在眾多行業(yè)以及一些增長快速的細(xì)分領(lǐng)域（如電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施）中都有應(yīng)用。公司的 SiC 器件性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的Si 元件，并為效率和可靠性設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

家用電器、工業(yè)系統(tǒng)以及越來越多的電動汽車中所使用的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) （EMDS）是最大的單一用電終端。據(jù)估計，2009 年，全球 43% 至 46% 的用電和 60.4 億噸二氧化碳排放來自運(yùn)行的 EMDS。如果沒有政策和標(biāo)準(zhǔn)扶持，到 2030 年，EMDS 每年的用電量將為 13,360 TWh，二氧化碳排放量將為 85.7 億噸。

 

國際標(biāo)準(zhǔn) IEC/EN 60034-30-1 解決了這一應(yīng)用領(lǐng)域的效率問題。將效率等級從 1（IE1）定義到 IE4 以及即將發(fā)布的 IE5，這一標(biāo)準(zhǔn)在 2014 年將其適用范圍擴(kuò)展至額定輸入電壓為 50 V 至 1 kV、額定輸入電流為 120 W 至 1,000 kW 的 2 極、4 極、6 極和 8 極電機(jī)。

 

大多數(shù)國家/地區(qū)已經(jīng)或很快將要求最低達(dá)到 IE3 效率等級，并且 EMEA 要求在 2023 年 7 月對 75 至 200 kW 范圍的電機(jī)實施 IE4 等級。對于 2.2 kW 4 極電機(jī)而言，從 IE2 轉(zhuǎn)到 IE3 意味著效率要從 84.3% 提高到 86.7%，損耗要減少 15.2%。從 IE3 轉(zhuǎn)到 IE4，則需要損耗減少 21%，因為總效率增到了 89.5%。此類轉(zhuǎn)變將需要重新設(shè)計系統(tǒng)，從 Si 轉(zhuǎn)換到 SiC 更易實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變。

 

對于電動汽車（其采用 90 kW 至 350 kW 以上的動力總成逆變器）而言，提高效率、減小尺寸、減輕重量可最大限度提高車輛續(xù)航里程。Wolfspeed 基于 SiC 的設(shè)計能使雙向設(shè)計更為輕松，可實現(xiàn)再生制動，將損耗降低 80%，將尺寸減小 30%，同時降低系統(tǒng)成本，從圖 2 中所示的驅(qū)動實例可明顯看出。

 

▲ 圖2：SiC 逆變器的損耗遠(yuǎn)低于 Si 基系統(tǒng)（如圖）。除上述所列獲益外，占用空間和散熱需求的減少還可帶來成本節(jié)?。ü?jié)省程度因車型而異）

 

 

SMPS 廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、家用電器、能源和電動汽車等細(xì)分領(lǐng)域。據(jù)估計，僅數(shù)據(jù)中心這一項應(yīng)用，2018 年的耗電量就約為 205 TWh ，約占全球用電量的 1%。

 

80 PLUS 計劃的白金和鈦金認(rèn)證要求以及歐盟的歐洲生態(tài)設(shè)計（ErP）Lot 9 法規(guī)（后者計劃將于 2026 年 1 月進(jìn)行更為嚴(yán)格的更新）均超過了 ENERGY STAR 的效率要求。開放計算項目（OCP）的 ORV3 PSU 規(guī)格要求的損耗比 ORV2 和 80 PLUS 鈦金標(biāo)準(zhǔn)要求的少 40%（圖 3）。

 

▲ 圖3：新標(biāo)準(zhǔn)要求 PFC 的效率大于 98.55%，DC/DC 級的效率大于 97.12%

 

這些標(biāo)準(zhǔn)對電源設(shè)計提出了新的要求，需要設(shè)計人員仔細(xì)評估使用的拓?fù)?。雖然在低頻管腳帶有 Si 二極管的 SiC 基半無橋圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）可實現(xiàn) 98.9% 的效率，滿足最新的 80 PLUS 標(biāo)準(zhǔn)，但 ORV3 將選擇轉(zhuǎn)向了全 SiC MOSFET 無橋圖騰柱 PFC，以實現(xiàn) 99.1% 的效率。

 

Wolfspeed C3M™ 650 V SiC MOSFET 特別適合這一應(yīng)用。其 2.2 kW PFC 參考設(shè)計在工業(yè)、電動汽車充電機(jī)和服務(wù)器/電信 PSU 應(yīng)用中，效率大于 98.5%、THD 小于 5%，達(dá)到了 80 PLUS 鈦金標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

美國政府已批準(zhǔn)在未來五年投資 50 億美元，用于建設(shè) 500,000 個DC 快速充電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施，每個充電機(jī)每個端口至少能夠?qū)崿F(xiàn) 150 kW ，且同時可為四輛電動汽車充電。與此同時，針對電動汽車供應(yīng)設(shè)備（EVSE）的 ENERGY STAR 規(guī)范于 2021 年 3 月 31 日生效，該規(guī)范強(qiáng)制要求高達(dá) 65 kW 的充電機(jī)的最低充電效率為 93%，并將高達(dá) 350 kW 的 DC 快速充電機(jī)也納入其適用范圍。經(jīng)認(rèn)證的電動汽車充電機(jī)在待機(jī)模式下通常需要能節(jié)省約 40% 的能源。

 

▲ 圖4：在全系統(tǒng)采用 Si 與采用 SiC 的22 kW 雙向AC-DC 快速充電機(jī)比較中，Wolfspeed  SiC 將損耗減少了 42%，功率密度增加了 51%，系統(tǒng)成本更低

 

商業(yè)和家庭用戶一樣都在尋求經(jīng)過 ENERGY STAR 認(rèn)證的產(chǎn)品。與 Si 基設(shè)計相比，Wolfspeed 的MOSFET 和二極管可在系統(tǒng)成本相當(dāng)?shù)那闆r下，使效率提高 1% 至 2%，功率密度增加 35% 至 50%，整體系統(tǒng)所需散熱更少，機(jī)械外殼體積更小、成本更低，車網(wǎng)互動（V2G）的雙向充電效果更勝一籌（圖 4）。