探讨碳化矽如何改变能源系统

碳化矽（SiC）已成为各产业提高效率和支援去碳化的基石。更是推动先进电力系统的要素之一，可因应全球对再生能源、电动车（EV）、资料中心和电网基础设施日益增长的需求。SiC技术比传统矽装置更具优势，尤其是在电源转换效率和热敏感情况下。对电子和电力产业的整体影响可带来更高的获利与永续性。

两家业界领先半导体公司的专家，包括Infineon Technologies工业和基础设施行销总监 Michael Williams，以及DigiKey技术行销工程师Shawn Luke，将一同分享对SiC技术对市场之影响与未来发展的看法。

电力消耗的转移

Williams 表示：「在过去，大多数电力消耗都与某种类型的马达控制有关，例如工业自动化应用和工厂、铁路运输、用於废水处理或管道中油料等流体的转动泵浦。在引进碳化矽後，市场开始转而提高效率，以便在多个转换阶段中降低能量损失并支援高要求的应用。」

这个转变的重点在於去碳以及新一代再生能源技术的开发，包括再生能源系统、电动车基础设施和资料中心。还可提升电源转换效率，从 95% 提高到 98.5%，这个重大转变可降低能量损耗、减少发热并将散热需求降至最低。

电网基础设施

单纯将电力从电网或高压电力线传输到资料中心，当电力经过多层转换後，就可能会导致 5-6% 的电力损失。据估计，单单资料中心就占当今全球能源消耗的 3%，预计到 2030 年将上升到 4%（Data Centre Magazine, 2022），而且此速度预计不会减缓。SiC 可在资料中心的电力基础设施中发挥作用，能在电网规模的储能和太阳能中央逆变器中提升效率并改善系统成本。此综合解决方案能让未来的资料中心在微电网环境中运作，进而降低美国目前已经紧绷的电网负载。

Luke 表示：「随着汽车电气化，我们看到许多公版设计都搭载了双向充电和进阶的电力电子设备，这表示可在离峰时段充电，并在尖峰时段将电力重新送回电网。」

SiC 属於宽能隙技术，可在电动车充电等应用中支援更高电压的处理和更快的切换速度。这促成了全球电网基础设施的彻底转型，同时更降低系统复杂性和整体成本。

使用 SiC 技术进行设计

SiC技术能有效因应效率问题，但有时设计人员需要的是小型产品，这时宽能隙（WBG）或矽（Si）装置就可派上用场。

「就像设计人员有三种技术可供选择一样，也会有三个基本的设计考量因素。是否要让产品符合成本效益；是否要让产品紧凑；是否要让产品高效率？」Williams 如此说明。「若有任意两项优先考量，设计人员可挑选矽解决方案。然而，若设计涉及全部三项考量，就需要采用宽能隙装置。促使采用紧凑型产品的关键因素在於提高切换频率，以缩小系统中磁性元件和电容的尺寸。」

由於 SiC 技术具备 WBG 能力，电压位准可以提高，能进一步实作新一代技术。挑战在於 SiC 是一种使用上较复杂的材料，因为基材比传统矽硬得多。

电力循环是封装开发中的一个关键因素，因为这会对 SiC 裸晶及其引线架或基板之间的互连部分造成压力，因此有可能会导致装置提前故障。开发新的互连技术就可改善未来 SiC 装置的电力循环效能，这对满足未来电网要去碳的要求来说非常重要。

「与过去的马达驱动应用相比，现在的应用使用更高的电力循环，」Williams 如此说。「Infineon 一直专注於开发自身的 .XT 技术，这个先进的互连技术与标准的软焊接技术相比，经过证明可将电力循环的效能提高 22 倍以上。这项技术的发展可促成更高的功率密度、增进散热效能并达到最大的系统寿命，促进产业转用更多再生能源。」

电源转换市场的创新

专家对电网去碳这个领域感到兴奋，当中涉及脱离化石燃料发电厂 (如煤炭和石油) 的转型。

Luke 表示：「去碳既可发生在宏观层面的改变上，像是电力公司逐渐转往风力、太阳能和水力发电，也可以发生在消费者层面，例如透过电动车等。像 SiC 这样的推进力，正协助我们比以往更迈向微电网发展，将电源区域化以减少转换和损耗，藉此协助达成去碳目标。」

他们认为还有一项创新会对电力产业带来强烈冲击，那就是固态变压器的实作。这可大幅增进电网的基础设施、缩减公用事业厂址的规模、设置时间和整体复杂性。固态变压器的部署可促成模组化高压系统和微电网解决方案，进而达到更永续的配电。

接下来呢？

随着新技术不断推出，预计 SiC 将持续受到运用。

Williams 说道：「Infineon 的专家预测，矽功率切换装置将在未来十年内继续主导市场。我们提供全部三种切换技术：矽、碳化矽和氮化??，因此在市场上具有独特地位，且没有受到宽能隙功率装置造成整体市场规模缩小的威胁。」

像 Infineon 这样的企业正投入大规模制造以提高产能，并且开发解决方案，以提高电源效率，同时降低 SiC 技术的成本。模组化微电网、分散式直流网路和核融合反应炉等创新即将问世，这些进展的技术核心都有 SiC 的存在。

设计人员与工程师只要与全球经销商 DigiKey 建立稳固的合作夥伴关系，并利用无最小订购量和高供货性的经销模式，快速部署新技术，就能站稳脚步全力迈进。

（本文作者为Infineon Technologies AG工业和基础设施行销总监 Michael Williams 与 DigiKey 技术行销工程师 Shawn Luke）