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采用先进 Wolfspeed SiC 技术,满足最新能效标准

Apr 29, 2022
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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。

An infograph showing and arrow going from left to right, numbered 10kW - 350kW. Underneath it there are three equal rectangles listed as "Discrete Solutions", "WolfPACK Baseplateless Small Modules", and "High Power Module Solutions" with pictures of example products underneath. Above the arrow are small pictures showing the applications you can use Wolfspeed products in.
图 1:Wolfspeed 产品组合能够满足全部功率扩展需求。

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 2.2kW 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。

Three pictures grouped together as one: the first is a forward facing electric vehicle. Underneath is a box that says "In Partial Load / Up to 6-10% savings / Even on 400v". To the right of the first two photos is an image of an EV Inverter above a detailed graph that maps out Wolfspeed's and competitors total inverter losses.
On theleft is a competitors IGBT drive, on the right is Wolfspeed's Silicon Carbide (SiC) Drive. The IGBT drive is almost twice as tall as the SiC drive.
120kW IGBT Drive (left) and 180kW SiC Drive (right)
Overall Cost of EV*
$15,000 - $100,000
Incremental Cost of Using Silicon Carbide
$75 - $150
c~6 - 10% Silicon Carbide Battery Savings
$600 - $1,000
Space Savings
$ - Significant
Cooling Requirement Savings
$ - Significant
Summary
Savings: $525 to $850

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。开放计算项目(OCP)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)。

Three line graphs side by side that compare the efficiency of Wolfspeed's Silicon Carbide solutions across different testing criteria.
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。

A large infograph with illustrations, bulleted lists, graphs, and images.
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,功率模块从 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。

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