由 30 個成員國和 8 個國家協會組成的國際能源署（IEA）于 2021 年 10 月的統計數據再次證實了要推動提高能源消耗的效率。隨著各國在能源效率和可再生能源方面的預算持續增長，IEA 指出，針對能源效率的專項預算份額已從 1990 年的 7% 躍升至 2020 年的 26%。

 

新建發電廠的建設成本超 5 億美元，建設時間需 2 到 6 年，家用電器市場的復合年均增長率約 7%，其速度超過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行為。ENERGY STAR 計劃正在明確將其要求擴展到家用和商用電動汽車充電機領域。

 

在歐洲、中東和非洲（EMEA）地區，為了盡快實現《巴黎協定》設定的在本世紀將全球氣溫升幅保持在 2°C 以內的目標，人們已將重點轉向提高供暖、暖通空調（HVAC）系統的效率上。

 

大中華區和東南亞地區（GCSEA）也正在通過建立新的貼標和最低能效標準來強調消費電器的效率。舉例而言，2020 年 7 月 1 日，中國實施了全球一項最為嚴格的室內空調設備能效要求，即要求室內空調設備的效率提高 15% 左右。由于該國是此類電器的最大買家和制造商，因此，這一舉措可會使能耗和碳足跡顯著減少。

 

 

新效率標準直接影響 SiC 需求，這一技術能夠滿足所有尺寸、重量和功率要求。

 

▲ 圖1：Wolfspeed 產品組合能夠滿足全部功率擴展需求

 

Wolfspeed 在 SiC 技術領域占據最大市場份額， 30 多年的功率半導體創新以及超過 17 年的二極管和 MOSFET 生產經驗，可幫助設計人員滿足關鍵應用中的標準要求，其中包括電機和開關電源（SMPS），這些產品在眾多行業以及一些增長快速的細分領域（如電動汽車充電基礎設施）中都有應用。公司的 SiC 器件性能遠超傳統的Si 元件，并為效率和可靠性設定了新標準。

 

 

家用電器、工業系統以及越來越多的電動汽車中所使用的電機驅動系統 （EMDS）是最大的單一用電終端。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運行的 EMDS。如果沒有政策和標準扶持，到 2030 年，EMDS 每年的用電量將為 13,360 TWh，二氧化碳排放量將為 85.7 億噸。

 

國際標準 IEC/EN 60034-30-1 解決了這一應用領域的效率問題。將效率等級從 1（IE1）定義到 IE4 以及即將發布的 IE5，這一標準在 2014 年將其適用范圍擴展至額定輸入電壓為 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 極電機。

 

大多數國家/地區已經或很快將要求最低達到 IE3 效率等級，并且 EMEA 要求在 2023 年 7 月對 75 至 200 kW 范圍的電機實施 IE4 等級。對于 2.2 kW 4 極電機而言，從 IE2 轉到 IE3 意味著效率要從 84.3% 提高到 86.7%，損耗要減少 15.2%。從 IE3 轉到 IE4，則需要損耗減少 21%，因為總效率增到了 89.5%。此類轉變將需要重新設計系統，從 Si 轉換到 SiC 更易實現這一轉變。

 

對于電動汽車（其采用 90 kW 至 350 kW 以上的動力總成逆變器）而言，提高效率、減小尺寸、減輕重量可最大限度提高車輛續航里程。Wolfspeed 基于 SiC 的設計能使雙向設計更為輕松，可實現再生制動，將損耗降低 80%，將尺寸減小 30%，同時降低系統成本，從圖 2 中所示的驅動實例可明顯看出。

 

▲ 圖2：SiC 逆變器的損耗遠低于 Si 基系統（如圖）。除上述所列獲益外，占用空間和散熱需求的減少還可帶來成本節省（節省程度因車型而異）

 

 

SMPS 廣泛應用于商業、工業、家用電器、能源和電動汽車等細分領域。據估計，僅數據中心這一項應用，2018 年的耗電量就約為 205 TWh ，約占全球用電量的 1%。

 

80 PLUS 計劃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（后者計劃將于 2026 年 1 月進行更為嚴格的更新）均超過了 ENERGY STAR 的效率要求。開放計算項目（OCP）的 ORV3 PSU 規格要求的損耗比 ORV2 和 80 PLUS 鈦金標準要求的少 40%（圖 3）。

 

▲ 圖3：新標準要求 PFC 的效率大于 98.55%，DC/DC 級的效率大于 97.12%

 

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。雖然在低頻管腳帶有 Si 二極管的 SiC 基半無橋圖騰柱功率因數校正（PFC）可實現 98.9% 的效率，滿足最新的 80 PLUS 標準，但 ORV3 將選擇轉向了全 SiC MOSFET 無橋圖騰柱 PFC，以實現 99.1% 的效率。

 

Wolfspeed C3M™ 650 V SiC MOSFET 特別適合這一應用。其 2.2 kW PFC 參考設計在工業、電動汽車充電機和服務器/電信 PSU 應用中，效率大于 98.5%、THD 小于 5%，達到了 80 PLUS 鈦金標準。

 

 

美國政府已批準在未來五年投資 50 億美元，用于建設 500,000 個DC 快速充電機基礎設施，每個充電機每個端口至少能夠實現 150 kW ，且同時可為四輛電動汽車充電。與此同時，針對電動汽車供應設備（EVSE）的 ENERGY STAR 規范于 2021 年 3 月 31 日生效，該規范強制要求高達 65 kW 的充電機的最低充電效率為 93%，并將高達 350 kW 的 DC 快速充電機也納入其適用范圍。經認證的電動汽車充電機在待機模式下通常需要能節省約 40% 的能源。

 

▲ 圖4：在全系統采用 Si 與采用 SiC 的22 kW 雙向AC-DC 快速充電機比較中，Wolfspeed  SiC 將損耗減少了 42%，功率密度增加了 51%，系統成本更低

 

商業和家庭用戶一樣都在尋求經過 ENERGY STAR 認證的產品。與 Si 基設計相比，Wolfspeed 的MOSFET 和二極管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、成本更低，車網互動（V2G）的雙向充電效果更勝一籌（圖 4）。