採用先進 Wolfspeed SiC 技術，滿足最新能效標準

由三十個成員國和八個國家協會組成的國際能源署(IEA)於2021 年 10 月提出的統計資料中，再次重申了對提高能源消耗效率的推動。各國在能源效率和可再生能源部分的預算持續增長，IEA 指出，用於能源效率的國家預算比例已從 1990 年的 7% 躍升至2020年的26%。

新電廠的建設成本超五億美元，耗時兩到六年，而家電市場7%的複合年成長率超越了將新能源投入正式生產的能力。因此，在制定政策時，主要是圍繞全球資源的高效利用所進行的討論。

在美洲，能源之星(ENERGY STAR®)和 80 PLUS® 標準正在推動工程和消費者的行為。能源之星計畫正在明確將其要求擴展到家用和商用電動車充電器領域。

在歐洲、中東和非洲地區(EMEA)，為了儘快實現《巴黎協定》設定的在本世紀將全球氣溫上升幅度控制在 2°C 以內的目標，人們已將重點轉向提高提供暖氣、通風和空調系統的效率上。

大中華區和東南亞地區也正在通過建立新的標示和最低能效標準來強調消費性電器的效率。例如，2020 年 7 月1日，中國對室內空調設備實施了一項全球最嚴格的要求，即要該設備的效率提高 約15% 左右。由於中國是這類電器的最大買家和製造商，此舉可能導致能耗和碳足跡顯著減少。

Wolfspeed SiC技術滿足效率需求

新效率標準無疑會直接影響對SiC 需求，因為SiC是能夠滿足所有尺寸、重量和功率要求的技術。

Wolfspeed 在 SiC 技術領域佔據最大市場佔有率，並擁有 三十多年的功率半導體創新以及十七年以上的二極體和MOSFET製造經驗，協助設計人員滿足關鍵應用的標準要求，其中包括馬達和切換式電源(SMPS)，這些產品在許多業界以及一些成長最快的領域(例如電動車的充電基礎設施)中都有應用。Wolfspeed SiC 元件的性能遠超傳統的Si 元件，並為效率和可靠性設立了新標準。

為 IEC 馬達效率標準做好準備 

家電、工業系統以及越來越多的電動車中所使用的馬達驅動系統 (EMDS)，成為使用電力最多的單一終端設備。據估計，2009 年全球43%至46%的用電和60.4億噸二氧化碳排放來自 EMDS的運行。如果沒有政策和標準的扶持，到 2030 年，EMDS 每年可能消耗 13,360 TWh，並導致85.7 億噸的二氧化碳排放量。

全球性標準IEC/EN 60034-30-1可因應馬達效率問題。該標準將效率等級從 1(IE1)定義到 IE4 以及即將發佈的 IE5，並在2014年擴大適用範圍，涵蓋額定輸入電壓為 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 極馬達。

大多數的國家已經或很快將要求馬達最低須達到 IE3 效率等級，並且EMEA要求75至200 kW範圍的馬達在2023 年7月實施 IE4 等級。對於 2.2kW的4 極馬達而言，從 IE2 轉換到 IE3 意味著效率要從 84.3% 提高到 86.7%，損耗要減少 15.2%。從 IE3 轉換到 IE4，則需要減少 21%的損耗，因為總效率提高了 89.5%。這種轉變需要重新設計系統，從 Si 轉換到 SiC 會更加容易實現。

對於採用 90 kW 至 350 kW 以上動力傳動系統逆變器的電動車而言，提高效率並減小尺寸和重量，將可最大限度提高車輛的續航里程。Wolfspeed SiC技術能使雙向電源設計更為輕鬆，以實現再生制動，將損耗降低 80%，尺寸減小 30%，同時降低系統成本，如圖 2 的驅動實例所示。

開關電源 (SMPS)效率新標準

SMPS廣泛應用於商業、工業、家電、能源和電動車領域。據估計，光是資料中心這一項，2018 年的耗電量就約為 205 TWh ，約佔全球用電量的 1%。

80 PLUS 計畫的白金和鈦金認證要求以及歐盟的歐洲生態設計(ErP)Lot 9 法規(後者計畫將於 2026 年 1 月進行更為嚴格的更新)均超越了能源之星的效率要求。開放計算專案(OCP)的 ORV3 PSU 規格要求比 ORV2和80 PLUS鈦金標準的損耗少 40%(圖 3)。

這些標準對電源設計提出了新的要求，需要設計人員仔細評估使用的拓撲。雖然在低頻段使用Si二極體的 SiC 基半無橋圖騰柱功率因數校正(PFC)可提供98.9% 的效率，滿足最新的 80 PLUS 標準，但 ORV3 則傾向於使用全SiC MOSFET無橋圖騰柱 PFC，以提供99.1% 的效率。

Wolfspeed C3M™ 650 V SiC MOSFET 產品特別適合這一應用。其 2.2 kW PFC 參考設計在工業、電動車充電器和伺服器和電訊PSU應用中，效率大於 98.5%、THD 小於 5%，達到 80 PLUS 鈦金標準。

電動車充電器的能源之星認證

美國政府已經批准在未來五年投資 50 億美元，建設由 50萬個DC 快速充電器組成的基礎設施，每個充電器能為每個埠提供至少 150 kW 的功率，並同時可為四輛電動車充電。同時，針對電動車供應設備(EVSE)的能源之星規範已於 2021 年 3 月 31 日生效，規定 65 kW以下 的充電器的最低充電效率為 93%，並將350 kW以下的DC快速充電器也納入其適用範圍。經認證的電動車充電器在待機模式下所需的能源一般要減少約40%。

商業和家庭用戶同樣都在尋求通過能源之星認證的產品。與 Si 設計相比，Wolfspeed 的MOSFET 和二極體可在系統成本相當的情況下，使效率提高1%至2%，功率密度增加35% 至 50%，整體系統所需散熱更少，機械外殼體積更小且成本更低，車網互動(V2G)的雙向充電效果更勝一籌(圖 4)。

提供具能效的產品組合

Wolfspeed為了滿足廣泛的設計考量，提供同樣廣泛的 SiC 產品組合，包括從 600 V 至 1700 V的設計 ，3.3 kV 和以上正在開發中的產品，以及從 1 A到接近 1 kA的功率模組。無論是何種電源應用，Wolfspeed 都提供SiC離散元件、符合業界標準製造的小型無基板模組，或尺寸經過最佳化的高功率模組等產品組合以供選擇 ，不僅能協助設計人員滿足最新的標準，同時也可以為其發展藍圖規畫好未來的需求。

瞭解更多詳情，請瀏覽 www.wolfspeed.com，也可向 Wolfspeed 功率半導體應用專家諮詢。

1. IEA, Energy Technology RD&D Budgets: Trends across technologies, October 2021. https://www.iea.org/reports/energy-technology-rdd-budgets-overview/trends-across-technologies
2. IEA, Energy Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. https://www.iea.org/reports/energy-efficiency-policy-opportunities-for-electric-motor-driven-systems
3. Energy Innovation, et al, How Much Energy Do Datacenters Really Use?, March 17, 2020. https://energyinnovation.org/2020/03/17/how-much-energy-do-data-centers-really-use/
4. ENERGY STAR Version 1.1 EVSE Certification Webinar Slides - April 8, 2021. https://www.energystar.gov/sites/default/files/asset/document/ENERGY%20STAR%20Version%201.1%20EVSE%20Certification%20Webinar_4.8.21.pdf
5. ENERGY STAR® is a registered trademark of the U.S. Environmental Protection Agency.  80 PLUS® is a registered trademark of Clearesult Consulting Inc.