超越硅基極限：

高壓碳化硅如何重新定義關(guān)鍵電源

作者：John Perry, Wolfspeed 副總裁兼中壓與高壓產(chǎn)品總經(jīng)理

全球電氣化、人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心、能源轉(zhuǎn)型和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施正推動(dòng)著前所未有的電力需求 — 而處于這一轉(zhuǎn)變核心的負(fù)載是動(dòng)態(tài)的、雙向的，并且日益集中在傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未充分考量的中高壓 (MV/HV) 運(yùn)行點(diǎn)上。在基礎(chǔ)設(shè)施層面，傳統(tǒng)的鐵芯變壓器是被動(dòng)的、單向的、體積龐大，并且部署速度緩慢，無(wú)法跟上現(xiàn)代電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心建設(shè)的步伐。在器件層面，硅 (Si) 基半導(dǎo)體在中高電壓下遭遇了硬性的物理極限 — 迫使工程師將多個(gè)組件串聯(lián)堆疊，而每增加一級(jí)，損耗、熱量、復(fù)雜性和失效點(diǎn)都會(huì)成倍增加。

碳化硅 (SiC) 同時(shí)在兩個(gè)層面上改變了這一局面。碳化硅 (SiC) 的寬禁帶材料特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)顯著更高的擊穿電壓、更快的開(kāi)關(guān)速度，以及硅 (Si) 器件失效溫度下的工作能力 — 從而消除了對(duì)于串聯(lián)堆疊硅 (Si) 器件的需求，并能夠在整個(gè)中高壓 (MV/HV) 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)緊湊、高效的轉(zhuǎn)換級(jí)。而且，就像鐵芯變壓器曾經(jīng)定義了電力基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)一樣，碳化硅 (SiC) 使得新一代固態(tài)變壓器 (SST) 成為可能，它能夠?qū)⒅须妷弘娋W(wǎng)電力直接轉(zhuǎn)換為可用的直流電，具備雙向控制、模塊化外形尺寸，并且部署時(shí)間以月而非年計(jì)算。

中高壓 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 如何改變規(guī)則

對(duì)于處于崩潰邊緣的電力系統(tǒng)而言，解決方案是什么？答案是在功率器件中采用中高壓(MV/HV) 碳化硅 (SiC)，它使得以前"不切實(shí)際"的架構(gòu)變得可行。

中高電壓 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 器件相比硅 (Si) 器件具有三大根本優(yōu)勢(shì)：

更高的擊穿電壓，使得設(shè)計(jì)人員能夠采用更少的高電壓開(kāi)關(guān)取代長(zhǎng)串的低電壓器件

更高的效率和開(kāi)關(guān)頻率，減小了磁性元件、冷卻系統(tǒng)和整體系統(tǒng)尺寸

在惡劣環(huán)境下的高溫工作能力和魯棒可靠性，這些環(huán)境包括深海（海底壓縮機(jī)）、遠(yuǎn)海（風(fēng)力發(fā)電機(jī)）和深地（采礦）作業(yè)

其結(jié)果是已經(jīng)在全球一些最關(guān)鍵和增長(zhǎng)最快的行業(yè)中帶來(lái)了新的可能性：

固態(tài)變壓器 (SST)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)中心電力傳輸?shù)默F(xiàn)代化

高壓直流輸電，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大容量電力傳輸、跨境電網(wǎng)互聯(lián)以及海上能源整合

地面電站太陽(yáng)能和電池儲(chǔ)能逆變器，在 1500V 直流及以上電壓運(yùn)行

中壓工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，需要在重工業(yè)、采礦業(yè)和關(guān)鍵制造業(yè)中采用

高壓脈沖功率系統(tǒng)，需要在吉瓦級(jí)實(shí)現(xiàn)精確、高速開(kāi)關(guān)

高壓碳化硅 (SiC) 已產(chǎn)生顯著影響的三個(gè)行業(yè)

讓我們看看幾個(gè)行業(yè)，憑借碳化硅 (SiC) 的獨(dú)有特性，成功應(yīng)對(duì)了當(dāng)今一些最棘手的電力現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心：大幅減少能源浪費(fèi)和冷卻成本，同時(shí)提高整體系統(tǒng)效率

高壓碳化硅 (SiC) 正在通過(guò)應(yīng)對(duì)加速計(jì)算帶來(lái)的巨大電力需求來(lái)革新人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心，可將電力轉(zhuǎn)換損耗降低 25-40%。此外，碳化硅 (SiC) 能夠在更高電壓和更高溫度下高效運(yùn)行，減少了對(duì)大規(guī)模冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的需求。基于碳化硅 (SiC) 的電源單元可降低高達(dá) 40% 的冷卻能源成本，從而緩解 GPU 的高熱量輸出。通過(guò)在 11 kW 和 25 kW 的冷卻系統(tǒng)中采用碳化硅 (SiC)，可將整體系統(tǒng)效率提升高達(dá) 2.4%。

采礦業(yè)與稀土：將能源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)出

傳統(tǒng)的采礦和礦物加工消耗全球電力的 3-4%，并產(chǎn)生約 15% 的全球排放量。機(jī)械碎石是最耗能的環(huán)節(jié)之一。脈沖功率碎石機(jī)中的傳統(tǒng)機(jī)械火花隙開(kāi)關(guān)頻繁磨損，迫使運(yùn)營(yíng)商不得不應(yīng)對(duì)停機(jī)、維護(hù)和生產(chǎn)損失。高壓碳化硅 (SiC) 使得采礦企業(yè)能夠從機(jī)械碎石系統(tǒng)轉(zhuǎn)向脈沖功率碎石系統(tǒng)，后者能耗降低約 80%，同時(shí)產(chǎn)出更高。此外，碳化硅 (SiC) 脈沖功率系統(tǒng)具有極長(zhǎng)的工作壽命、更精確的控制和更高的每噸礦石金屬回收率，這對(duì)于關(guān)鍵稀土礦床尤為重要。

海底能源與海上風(fēng)電：為人力難以企及的地方賦能

在海底油氣領(lǐng)域，電力電子設(shè)備坐落在海床上，一旦發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停止并需要昂貴的介入處理。與此同時(shí)，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)正朝著更高電壓和更大葉片發(fā)展。風(fēng)機(jī)機(jī)艙（容納風(fēng)力發(fā)電機(jī)所有發(fā)電組件的殼體）空間固定，但必須容納越來(lái)越大的變流器。在這方面，高壓碳化硅 (SiC) 變流器提供了高得多的功率密度 — 在相同的風(fēng)機(jī)機(jī)艙空間內(nèi)可以應(yīng)對(duì)更多的功率 — 并支持 20-25 年的設(shè)計(jì)壽命，減少維護(hù)次數(shù)，從而降低總體能源成本。

是什么阻礙了高壓碳化硅 (SiC) 的發(fā)展 — 以及為什么這種情況正在改變

由來(lái)已久的阻礙因素一直制約著碳化硅 (SiC) 的全面應(yīng)用。碳化硅 (SiC) 器件比商品化的硅 (Si) 器件更昂貴，但是簡(jiǎn)單的單價(jià)比較卻忽略了系統(tǒng)層面的節(jié)約。針對(duì)固態(tài)變壓器 (SST) 和電網(wǎng)設(shè)備中高壓 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 的一些標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證仍未被定義。當(dāng)然，設(shè)計(jì)安全、可靠的 6.5-10 kV 柵極驅(qū)動(dòng)和磁性元件并非易事，需要具備合適工具且技能嫻熟的設(shè)計(jì)工程師。

但這些差距正在迅速縮小。隨著在海上和工業(yè)領(lǐng)域采用的攀升，成本正在下降，供應(yīng)鏈變得更加穩(wěn)健。圍繞標(biāo)準(zhǔn)封裝和多供應(yīng)商策略的行業(yè)合作正在涌現(xiàn)，以降低供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 創(chuàng)新者正在投資應(yīng)用工程、參考設(shè)計(jì)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，從而助力客戶更快地度過(guò)學(xué)習(xí)曲線。

選擇合適的碳化硅 (SiC) 合作伙伴

隨著電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、采礦作業(yè)和能源公司不再滿足于對(duì)硅 (Si) 的漸進(jìn)式升級(jí)，他們將需要能夠同時(shí)提供器件和深厚應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的合作伙伴。這是因?yàn)橄蚋邏禾蓟?(SiC) 的轉(zhuǎn)變不僅僅是一次技術(shù)升級(jí)。它代表了中高壓 (MV/HV) 電力基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

這正是 Wolfspeed 發(fā)揮核心作用的地方。在我們自己的客戶中，我們看到采用中高壓 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 是構(gòu)建未來(lái) 20-25 年電力系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。Wolfspeed 在高壓碳化硅 (SiC) 領(lǐng)域擁有悠久的歷史，相關(guān)工作可追溯到近二十年前，包括開(kāi)發(fā)了數(shù)十種阻斷電壓高達(dá) 27 kV 的器件，涵蓋 MOSFET、IGBT、晶閘管、PiN二極管和JBS二極管等多種器件結(jié)構(gòu)。更重要的是，我們從材料到模塊的垂直整合布局，使我們?cè)诮鉀Q最棘手的中高壓 (MV/HV) 問(wèn)題上擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。豐富的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)使得我們能夠從各個(gè)層面攻克中高壓 (MV/HV) 挑戰(zhàn)，從控制晶體生長(zhǎng)和厚外延層，到制造碳化硅 (SiC) 材料和器件。然后，我們還可以將這些成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中更高的性能和更好的產(chǎn)出。

對(duì)于期望在深海油田、偏遠(yuǎn)礦山或大型人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心中實(shí)現(xiàn)流暢運(yùn)行的運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這種材料、器件和應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的整合正迅速成為"有前途的碳化硅 (SiC) 路線圖"與"經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、可靠的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)"之間的區(qū)別所在。如果您的中高壓 (MV/HV) 策略尚未充分利用碳化硅 (SiC) 所能提供的全部潛力，那么現(xiàn)在或許是時(shí)候重新審視原有功率組件中的那些基礎(chǔ)假設(shè)了。

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國(guó)紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內(nèi)推動(dòng)碳化硅技術(shù)采用方面處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位，這些碳化硅技術(shù)為全球最具顛覆性的創(chuàng)新成果提供了動(dòng)力支持。作為碳化硅領(lǐng)域的引領(lǐng)者和全球最先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過(guò)面向各種應(yīng)用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產(chǎn)品，助您實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想，成就非凡 (The Power to Make It Real)。