采用Wolfspeed碳化硅的能源效率标准

碳化硅 (SiC) 提供了一种能够满足所有新效率标准（包括尺寸、重量和功率要求）的半导体技术，而无需做出不可行的妥协。

国际能源署 (IEA) 的 2021 年 10 月统计数据显示，IEA 由 30 个成员国和 8 个国家协会组成，这些数据再次强调了提高能源消费效率的推动力。尽管各国能源效率和可再生能源的预算持续增长，但 IEA 指出，用于能源效率的预算份额从 1990 年的 7% 增长到 2020 年的 26%。¹

新的发电厂建设成本超过5亿美元，耗时两到六年，而家电市场约7%的年均复合增长率（CAGR）超过了新能源生产上线的能力。因此，政策制定已被围绕全球资源高效利用的讨论所主导。

在美洲地区，ENERGY STAR® 和 80 PLUS® 标准正推动工程设计和消费者行为的改变。特别是，ENERGY STAR 计划正在扩大其要求范围，包括家庭和商业电动车（EV）充电器。

在欧洲、中东和非洲 (EMEA) 地区，为实现《巴黎协定》在本世纪内将全球气温升高控制在2°C以下的目标，已经将关注点转向提高供暖、通风和空调 (HVAC) 系统的效率。

大中华区及东南亚地区 (GCSEA) 也在通过新的标签和最低能效表现标准，重点推动消费类电器的效率提升。例如，2020年7月1日，中国实施了全球最严格的房间空调器能效要求之一，要求这些设备的能效提高约15%。由于中国是这些电器的最大购买者和制造商，这一举措可能显著减少能源消耗和碳足迹。

通过 Wolfspeed 碳化硅满足效率需求

新效率标准的直接影响是硅碳化物 (SiC) 作为一种关键半导体技术的无可争议需求，它具有满足所有尺寸、重量和功率要求而无需不切实际的权衡的能力。

拥有最大的SiC技术市场份额，超过30年的电力创新经验，以及超过17年的二极管和MOSFET生产经验，Wolfspeed帮助设计师在关键应用领域满足标准要求，包括电机和开关模式电源(SMPS)，这些应用广泛用于多个行业以及一些增长最快的领域，如电动汽车充电基础设施。该公司的SiC器件远远优于传统硅(Si)组件，并为效率和可靠性设立了新的标准。

符合IEC电机能效标准

电动机驱动系统 (EMDS) 是家庭电器、工业系统以及日益增长的电动汽车 (EVs) 中用电量最大的单一用途。据估计，2009年全球电力消费的43%到46%以及6,040百万吨 (Mt) 的二氧化碳排放来源于运行EMDS。如果没有政策和标准的支持，EMDS到2030年每年可能消耗13,360太瓦时 (TWh) 的电力，并导致8,570百万吨的二氧化碳排放。²

全球 IEC/EN 60034-30-1 标准涉及该应用领域的效率问题。该标准定义了国际效率等级 IE1 至 IE4，并计划新增 IE5 等级。2014 年，该标准扩大了其范围，涵盖额定功率为 120 W 至 1,000 kW，输入电压为 50V 至 1kV 的两极、四极、六极和八极电机。

大多数国家已经要求或很快将要求最低达到IE3等级，而EMEA地区要求在2023年7月针对75至200千瓦范围内的电机达到IE4等级。从IE2升级到IE3，对于一台2.2千瓦的四极电机而言，效率将从84.3%提升到86.7%，即损耗减少了15.2%。而从IE3升级到IE4，则需要将损耗进一步减少21%，总效率提高到89.5%。这样的升级需要对系统进行重新设计，而通过从硅（Si）到碳化硅（SiC）的过渡可以使其变得更加容易。

对于使用90千瓦至超过350千瓦电动车动力传动系统逆变器的电动车（EVs）来说，提高效率以及减小体积和重量能够最大化车辆续航里程。基于Wolfspeed SiC的设计简化了双向设计，以实现再生制动，将损耗降低80%，同时减小体积30%，并降低系统成本，这可从图2中的实际驾驶情况中明显看出。

关于开关电源（SMPS）效率的新标准

开关电源（SMPS）广泛应用于商业、工业、家用电器、能源和电动车（EV）领域。仅一个应用——数据中心，据估计在2018年消耗了约205太瓦时（TWh）的电力，占全球用电量的1%。

ENERGY STAR的能效要求已经被80 PLUS计划的铂金和钛金认证要求以及欧盟的生态设计（ErP）第9项法规所超越，而这些法规还计划在2026年1月进行更为严格的更新。开放计算项目（OCP）的ORV3 PSU规格要求相比ORV2和80 PLUS钛金减少40%的损耗（图3）。

这些标准对电源设计提出了新的要求，并要求设计者仔细评估他们使用的拓扑结构。虽然基于SiC的半无桥图腾柱功率因数校正（PFC）搭配低频腿中的硅二极管可以为最新的80 PLUS标准提供98.9%的效率，但ORV3更倾向于采用全SiC-MOSFET无桥图腾柱PFC，以实现99.1%的效率。

Wolfspeed 的 C3M™ 650 V SiC MOSFET 特别适合该应用。其 2.2 kW PFC 参考设计在工业、电动汽车充电器以及服务器/电信电源模块应用中，实现了 80 PLUS Titanium 标准，效率超过 98.5%，总谐波失真 (THD) 小于 5%。

ENERGY STAR® 认证电动汽车充电器

美国政府已批准在未来五年内投入50亿美元，用于建立一个包含50万个直流快速充电桩的基础设施，这些充电桩每个端口至少能够提供150千瓦的功率，并可同时为四辆电动车充电。同时，电动车供电设备（EVSE）的能源之星规范已于2021年3月31日生效，该规范要求最高功率为65千瓦的充电桩必须达到最低93%的主动充电效率，并将直流快速充电桩的功率范围扩大至350千瓦。获得认证的电动车充电桩在待机模式下通常可减少约40%的能耗。

无论是商业用户还是家庭用户，都在寻求ENERGY STAR认证。Wolfspeed的MOSFET和二极管能够实现比基于硅(Si)的设计更高效的性能，效率提升1%到2%，功率密度增加35%到50%，系统成本相当，但整体系统散热需求更低，机械外壳更小更便宜，以及更优的车辆到电网双向充电性能（图4）。

能源效率投资组合

为了满足无与伦比的设计需求，Wolfspeed 提供了同样广泛的碳化硅产品组合，包括从600 V到1700 V的产品，并正在开发3.3 kV及以上的产品，功率模块的电流范围从1 A到接近1 kA。无论是何种功率应用，都有适合的 Wolfspeed 碳化硅分立产品、无底板的小型模块（符合行业标准）或优化尺寸的高功率模块。这些产品不仅帮助设计师满足最新标准，还能为开发路线图中的未来需求做好规划。

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