探索碳化硅如何改变能源系统

作者： Infineon Technologies AG 工业和基础设施营销总监 Michael Williams、DigiKey 技术营销工程师 Shawn Luke

碳化硅 (SiC) 器件已成为各行各业提高效率和推动去碳化的基石。碳化硅器件是先进电力系统的推动产品，可满足全球对可再生能源、电动汽车 (EV)、数据中心和电网基础设施日益增长的需求。相比传统的硅器件，碳化硅技术具有优势，尤其是在功率转换效率和热敏感性方面。碳化硅器件对电子、电力行业的整体影响可带来更强的盈利能力和可持续性。

来自两家行业领先半导体公司的专家——Infineon Technologies 工业和基础设施营销总监 Michael Williams 和 DigiKey 技术营销工程师 Shawn Luke，分享了他们对碳化硅技术如何影响市场以及下一步发展的看法。

转移耗电量

Williams 说：“在过去，绝大部分耗电量都与某种电机控制紧密相关，例如工业自动化应用和工厂、铁路运输、用于废水处理或管道中的石油等流体的移动泵。随着碳化硅产品的推出，市场开始转向提高效率，以减少多个转换阶段的能量损耗并支持高需求应用”。

这一转变的重点是去碳化和开发新一代可再生技术，包括可再生能源系统、EV 基础设施和数据中心。通过这种转变，还将功率转换效率从 95% 左右提高到 98.5%，这一重大转变降低了能源损耗，减少了发热，并最大限度地降低了冷却要求。

电网基础设施

仅仅是将电能从电网或高压电线传输到数据中心，就会造成 5 - 6% 的电能损耗，因为电能需要经过多层转换。据估计，目前仅数据中心的能耗就占全球能耗的 3%，预计到 2030 年将上升到 4%（《数据中心杂志》，2022 年），而且不会放缓。碳化硅器件可用于数据中心的电力基础设施，提高电网级储能和太阳能中央逆变器的效率，并降低系统成本。这种组合解决方案可使未来的数据中心在微电网环境中运行，从而减轻本已紧张的美国电网负荷。

Luke 说：“随着汽车电气化的发展，我们看到许多参考设计都采用了双向充电和先进的电力电子技术，这意味着可在非高峰时段充电，在高峰时段将电力送回电网。

碳化硅器件作为一种宽带隙技术，可在象 EV 充电之类应用中支持更高的电压处理能力和更快的开关速度。这使得全球电网基础设施得以彻底转型，同时降低系统复杂性和总成本。

采用碳化硅技术进行设计

碳化硅技术能很好地解决效率问题，但有时设计人员需要小型产品，这时就需要使用宽带隙 (WBG) 或硅 (Si) 器件。  

“正如设计人员有三种可选择技术一样，他们也有三种基本的设计考虑因素。我的目标是实现产品高性价比、结构紧凑还是高效率？”Williams 解释说，“选择其中任意两个优先事项，设计人员就可以选择硅解决方案。然而，要在设计中考虑到所有这三个因素，就必须采用宽带隙器件。紧凑型产品的主要驱动力是提高开关频率，以减小系统中的磁性器件和电容器的尺寸。”

由于碳化硅技术具有宽带隙功能，因此电压水平可以更高，这使得下一代技术的实施成为可能。所面临的挑战是，碳化硅是一种复杂的材料，因为这是它一种硬度远高于传统硅材料的基础材料。

功率循环是封装开发过程中的关键因素，因为功率循环会对碳化硅芯片与其引线框架或基底之间的互连部分造成应力，这可能导致器件过早失效。开发新的互连技术以提高未来碳化硅器件的功率循环性能，对于满足未来去碳化电网的要求非常重要。  

"Williams 说："与过去的电机驱动应用相比，现在的应用需要更高的功率循环性能。Infineon 一直专注于开发我们的 .XT 技术，这是一种先进的互连技术，与标准软焊技术相比，经证明可将功率循环性能提高 22 倍以上。这项技术的开发实现了更高的功率密度、更优的散热性能和最长的系统寿命，从而实现向更多可再生能源的转型。”

功率转换市场的创新

让这些专家感到兴奋的一个领域是电网去碳化，这涉及到从化石燃料发电厂（如煤和石油）的过渡。

Luke 说：“既可以在宏观层面通过电力公司正在进行的转向风能、太阳能和水电的转型实现去碳化，也可以在消费者层面通过电动汽车等实现去碳化。借助像碳化硅器件这样的推动产品，我们比以往任何时候都更接近微电网，从而实现电能来源本地化，减少转换和损耗，并助力去碳化"。

他们认为，对电力行业产生重大影响的另一项创新是固态变压器的应用。固态变压器可以大大增强电网的基础设施，减少公用事业场所的规模、安装时间和整体复杂性。部署固态变压器可实现模块化高压系统和微电网解决方案，以使配电更具可持续行。

未来如何发展？

随着新技术的不断涌现，预计碳化硅技术将长期存在。

Williams 说，"Infineon 专家预测硅功率开关器件将在本十年的剩余时间内继续主导市场。通过提供硅、碳化硅和氮化镓三种开关技术产品，让我们在市场上占据了独特地位，而且我们认为宽带隙功率器件不会对市场总规模造成威胁。”

Infineon 等公司正在进行投资，扩大生产规模，以提高产能，开发出既能降低碳化硅技术的成本，又能提高效率的解决方案。模块化微电网、分布式直流网络和聚变反应堆等创新技术即将问世，而碳化硅器件正是这些技术进步的核心。

通过与其全球分销商 DigiKey 建立稳固的合作伙伴关系，通过无最低订购量和高可用性分销模式快速部署新技术，设计人员和工程师已做好充分准备，以应对未来的各种挑战。有关电源解决方案的更多信息，请访问 DigiKey.com。