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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。


#1

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。

采用碳化硅技术满足最新能效标准

▲ 图1:Wolfspeed 产品组合能够满足全部功率扩展需求


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。


#2

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 2.2 kW 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。

采用碳化硅技术满足最新能效标准

▲ 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)


#3

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)。

采用碳化硅技术满足最新能效标准

▲ 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。


#4

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。

采用碳化硅技术满足最新能效标准

▲ 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)。


#5

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。


英文原稿,敬请访问:

https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/meet-the-latest-energy-efficiency-standards-with-wolfspeed-silicon-carbide


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