使用SiC提高工業(yè)應(yīng)用的能源效率（1）

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

包括服務(wù)器電源、不間斷電源（UPS）和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用消耗了世界上很大一部分電力。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)營成本。對(duì)于兼具更高功率密度和更好熱性能雙重優(yōu)勢(shì)的高效電源的需求，呈現(xiàn)出指數(shù)增長。有幾個(gè)因素在推動(dòng)這一增長。首先是全球能源意識(shí)的提升，能源是社會(huì)化生產(chǎn)不可完全替代的投入要素，能源效率作為國家或地區(qū)能源安全戰(zhàn)略的重要組成部分，在節(jié)能減排、穩(wěn)定增長的可持續(xù)發(fā)展道路上有重要支撐作用。以及日益迫切的對(duì)于更理智和更有效地使用能源的訴求。第二個(gè)是物聯(lián)網(wǎng)（IoT），它推動(dòng)了將各種新技術(shù)和服務(wù)導(dǎo)入工業(yè)應(yīng)用。借助工業(yè) 4.0 等智能產(chǎn)業(yè)計(jì)劃，機(jī)器、工廠和工作場所通過連接設(shè)備變得更加智能和具有意識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)性、效率、可靠性和安全性。

工業(yè)是能源消費(fèi)的主要產(chǎn)業(yè)部門，而工業(yè)能源消費(fèi)質(zhì)量是衡量能源效率高低的主要標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)制造商對(duì)提高工業(yè)應(yīng)用的效率越來越感興趣。能源效率和降低成本的結(jié)合正成為關(guān)鍵的市場領(lǐng)導(dǎo)地位。 但是，隨著采用工業(yè)自動(dòng)化（例如機(jī)器人和電控化生產(chǎn)線）應(yīng)用的不斷增加、為這些系統(tǒng)供電的電力成本也水漲船高。為保持競爭力，制造商需要能夠開發(fā)新的操作方法以降低工廠成本。

一、對(duì)更高效率、更低成本的需求

由于工業(yè)設(shè)備通常是 24 小時(shí)/天的全天候運(yùn)行，因此效率的任何提高都可以立竿見影地大大降低能耗。解決能源問題的最直接方法是為這些工業(yè)系統(tǒng)提供動(dòng)力的系統(tǒng)的能效。因此，行業(yè)、政府和制造商都面臨巨大壓力，需要開發(fā)出更高效的電源。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）的能效提升。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、散熱性能和轉(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)方法將會(huì)繼續(xù)在這些方面提供一些改進(jìn)。但由于開發(fā)人員多年來一直專注于從這些系統(tǒng)中獲取更多效益，而相關(guān)效益并不是取之不竭的。所以，為了實(shí)現(xiàn)重大改進(jìn)，我們需要新的方法。

二、SiC 能夠做到

碳化硅(SiC)是一種Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，具有多種同素異構(gòu)類型。其典型結(jié)構(gòu)可分為兩類：一類是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方SiC晶型，稱為3C或 β-SiC，這里3指的是周期性次序中面的數(shù)目;另一類是六角型或菱形結(jié)構(gòu)的大周期結(jié)構(gòu)，其中典型的有6H、4H、15R等，統(tǒng)稱為α-SiC。與Si相 比，SiC材料具有更大的Eg、Ec、Vsat、λ。大的Eg使SiC可以工作于650℃以上的高溫環(huán)境，并具有極好的抗輻射性能。碳化硅（SiC）是一種寬禁帶半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。它可用作裸片基板，也可以用于肖特基二極管、MOSFET 等分立器件以及功率模塊。

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)材料。但與 SiC 相比，基于 Si 的電源系統(tǒng)在能效方面相形見絀。SiC 提供了諸多領(lǐng)先 Si 的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯黃昊宇