采用先進(jìn)Wolfspeed SiC技術(shù)，滿足最新能效標(biāo)準(zhǔn)

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)來強調(diào)消費電器的效率。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。

通過 Wolfspeed SiC來滿足效率需求

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。

Discrete Implementation:

Maximize topology flexibility

Minimize total BOM cost

The industries largest discrete portfolio

1A to 150A, 600V to 1700V

G3 MOSFET optimized for performance

Pedigree of field hrs, proven long term reliability

Module Implementation:

Maximize power density

Simplify layout and assembly

Enable scalable systems / platforms

Minimize costs of labor & system components

The industries widest full Silicon Carbide module portfolio

Multiple module footprints both industry standard & Silicon Carbide optimized

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)。

隨時可滿足 IEC 電機效率標(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。

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 范圍的電機實施 IE4 等級。對于 2.2kW 4 極電機而言，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)省（節(jié)省程度因車型而異）。

針對開關(guān)電源（SMPS）效率的新標(biāo)準(zhǔn)

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)。

電動汽車充電機的 ENERGY STAR 認(rèn)證

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 快速充電機基礎(chǔ)設(shè)施，每個充電機每個端口至少能夠?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)范強制要求高達(dá) 65 kW 的充電機的最低充電效率為 93%，并將高達(dá) 350 kW 的 DC 快速充電機也納入其適用范圍。經(jīng)認(rèn)證的電動汽車充電機在待機模式下通常需要能節(jié)省約 40% 的能源。

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。

專為提高能源效率打造的產(chǎn)品組合

為了滿足廣泛的設(shè)計考量，Wolfspeed 提供了同等廣泛的 SiC 產(chǎn)品組合，產(chǎn)品包括從 600 V 至 1700 V 和 3.3 kV 以上以及在開發(fā)中的，功率模塊從 1 A 至擴(kuò)展近乎 1 kA。無論何種電源應(yīng)用，Wolfspeed 有SiC分立式產(chǎn)品、針對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而構(gòu)建的更小無基板模塊，或占用空間經(jīng)優(yōu)化的高功率模塊，不僅可幫助設(shè)計人員滿足最新標(biāo)準(zhǔn)，同時也可以為未來需求做好規(guī)劃。

審核編輯：郭婷