服務(wù)器電源，不間斷電源（UPS）和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等工業(yè)應(yīng)用消耗了世界上很大一部分功率。因此，工業(yè)電源效率的任何提高都將大大降低公司的運(yùn)營(yíng)成本。結(jié)合更高的功率密度和更好的熱性能，對(duì)高效電源的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)。有幾個(gè)因素正在推動(dòng)這一增長(zhǎng)。首先是全球能源意識(shí)的提高，以及越來越迫切地更明智和更有效地使用能源。第二個(gè)是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），它導(dǎo)致將各種新技術(shù)和服務(wù)引入工業(yè)應(yīng)用。

借助工業(yè)4.0等智能行業(yè)計(jì)劃，機(jī)器，工廠和工作場(chǎng)所通過連接設(shè)備變得更加智能和意識(shí)，以實(shí)現(xiàn)更大的自治性，效率，可靠性和安全性。但是，工業(yè)自動(dòng)化（例如機(jī)器人和機(jī)動(dòng)生產(chǎn)線）伴隨著不斷增加的使用量和為這些系統(tǒng)供電的電力成本。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，制造商需要能夠開發(fā)新的操作方法以降低工廠成本。他們還需要充分利用每平方米的占地面積，因?yàn)樵O(shè)備占地面積會(huì)直接影響運(yùn)營(yíng)成本。

能耗的影響還擴(kuò)展到數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心容納了支持工業(yè)應(yīng)用程序的服務(wù)器。通過自動(dòng)化，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來增加數(shù)據(jù)流量，反過來又增加了保持設(shè)備運(yùn)行所需的處理資源。熱性能也很重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心消耗的功率中有20％用于保持?jǐn)?shù)據(jù)中心冷卻。

對(duì)更高效率，更低成本的需求

由于工業(yè)設(shè)備通常以24/7全天候運(yùn)行，因此效率的任何提高都可以在大大降低能耗方面迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)際節(jié)省。解決能源問題的最直接方法是提高為這些工業(yè)系統(tǒng)提供動(dòng)力的系統(tǒng)的能源效率。

正如Cree | Wolfspeed的創(chuàng)始人之一約翰·帕爾默（John Palmour）所說：“最便宜的電源就是您不使用的電源。”因此，行業(yè)，政府和制造商承受著巨大的壓力，要求開發(fā)更高效的電源。例如，諸如能源之星（Energy Star）和80 Plus之類的標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了電源裝置（PSU）的高效能耗。通過滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，PSU OEM可以輕松地向要求苛刻的市場(chǎng)展示其系統(tǒng)的效率。電源設(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)是功率密度，熱性能和轉(zhuǎn)換效率這三個(gè)特性。此外，設(shè)計(jì)人員需要在最小化整體系統(tǒng)成本的同時(shí)滿足這些挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法將繼續(xù)在這些方面提供一些改進(jìn)，但是由于開發(fā)人員多年來一直致力于從這些系統(tǒng)中獲取更多收益，因此收益將受到限制。為了實(shí)現(xiàn)重大改進(jìn)，需要新的方法。

碳化硅交付

碳化硅（SiC）是一種寬帶隙半導(dǎo)體基材。它可用作裸露的裸片基板，用于肖特基二極管，MOSFET和功率模塊等分立組件。

圖2：此圖顯示了20kW SiC AC / DC轉(zhuǎn)換器的效率。從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)大于98.5％的峰值效率，達(dá)到80 Plus Titanium標(biāo)準(zhǔn)。 [來源：Cree公司的Wolfspeed]

歷史上，硅（Si）被用作大多數(shù)電子應(yīng)用的半導(dǎo)體基礎(chǔ)。但是，與SiC相比，Si是電源系統(tǒng)的低效基礎(chǔ)。 SiC提供了許多優(yōu)于Si的優(yōu)勢(shì)（見圖1）。

這些包括：

●與基于SiC的組件相比，基于SiC的組件具有更低的泄漏電流。這是因?yàn)殡娮?空穴對(duì)在SiC中產(chǎn)生的速度比在Si中產(chǎn)生的速度慢，從而在開關(guān)斷開時(shí)導(dǎo)致較低的泄漏電流損耗。

●SiC具有3電子伏特（eV）的寬帶隙，并且能夠承受大于Si八倍的電壓梯度，而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿。 SiC更高的臨界擊穿強(qiáng)度使它們能夠在與Si相同的封裝中承受更高的電壓。因此，與Si相比，可以在大約10倍的阻斷電壓下創(chuàng)建MOSFET之類的基于SiC的組件。因此，可以可靠地制造非常高電壓，高功率的設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可以在更窄的范圍內(nèi)工作以提供更高的性能。這些設(shè)備可以非常緊密地放置在一起，從而可以提高組件的包裝密度。

●較高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致更有效的熱傳遞。 此外，較低的通態(tài)電阻可降低傳導(dǎo)損耗。

●SiC基組件具有更高的開關(guān)頻率。 更高的SiC開關(guān)頻率可使峰值效率> 98.5％，從而使系統(tǒng)有可能達(dá)到80 Plus鈦標(biāo)準(zhǔn)（見圖2）。

該圖顯示了20kW SiC AC / DC轉(zhuǎn)換器的效率。 從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)大于98.5％的峰值效率，達(dá)到80 Plus Titanium標(biāo)準(zhǔn)。 資料來源：Wolfspeed。

本文編譯自powerelectronicsnews。