碳化硅在電源中的作用和優勢

硅是半導體的傳統材料，但其近親碳化硅（SiC）最近已成為激烈的競爭對手。碳化硅的特性特別適合高溫、高壓應用。它提供了更高的效率，并擴展了功率密度和工作溫度等領域的功能。

這種獨特的材料有助于使電源更小、更高效。讓我們來探討一下這是如何發生的，以及碳化硅在電源領域能提供什么。

什么是電源應用中的碳化硅？

與硅相比，碳化硅有六大優勢，例如：

高能效

低功耗和開關損耗

高導熱性

高工作頻率和高溫度

出色的熱管理和抗熱震性

使用壽命長

這些優點使碳化硅成為各行各業電源應用的理想材料。使用碳化硅的兩種常見電源元件是二極管和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。

碳化硅在電源中的作用

碳化硅在電源中如此有用的主要原因之一是它作為一種寬帶隙材料。具有寬禁帶的材料在將電子從價帶移動到導帶之前需要更多的能量。當這種情況發生時，材料就會變成導體。硅的帶隙僅為1.12電子伏特（eV），而SiC的帶隙為3.2 eV。更寬的帶隙意味著SiC可以在更薄的設計中承受與硅半導體相同的電壓。

碳化硅的薄材料為電源提供了幾個優點。它減少了導通和開關的損耗，從而提高了開關速度并減少了熱量，從而實現了更小、更高效、更持久的電源。

幾乎每個行業都受益于這些緊湊、高效的電源，因為對自動化設備和數據收集等技術的需求不斷增長。工業應用、數據中心和其他高熱、高電壓用戶對碳化硅特別感興趣，碳化硅可以顯著降低運行和冷卻設施的成本（這些設施通常24/7全天候運行），同時充分利用寶貴的空間。

隨著時間的流逝，碳化硅還可以提高性能，因為它可以很好地承受熱應力。更高的效率有助于最大限度地減少熱量，使SiC具有更長的使用壽命并使其更可靠。這些特性在要求苛刻或任務關鍵型應用中特別有用，例如加固型電源或軍事設備。

碳化硅在電源中的5大優勢！

使用碳化硅功率器件的好處是廣泛的，影響著從工作溫度到設計靈活性的方方面面。碳化硅的優點包括：

提高效率：SiC可實現高于97%的功率轉換效率，幫助用戶和設計人員實現各種目標。降低成本的最佳方法之一是首先避免使用電力，而SiC可以提供極大的幫助。它允許用戶在一個經濟實惠的系統中滿足內部對降低成本的需求，以及外部質量標準和政府法規。許多碳化硅電源可以滿足80 Plus鈦金標準，同時降低成本。

節省成本：降低能耗是碳化硅電源為用戶節省資金的主要方式之一，但它們也可以通過更小的占地面積和更高的可靠性來節省成本，從而限制停機時間并實現價值最大化。強大的導熱性和效率也減少了對冷卻組件的需求。

提高功率密度：由于其高效率和低熱量，SiC可以大大提高功率密度，特別是在高壓應用中。這些緊密封裝的設計非常適合在不犧牲性能和功耗的情況下構建更小、更輕的電源。

提高可靠性：碳化硅可以處理高工作溫度和高電壓。它可承受高達200攝氏度的環境，通常與場內效應晶體管一起使用，應用電壓高達10千伏。其高效的性能也使其使用壽命長。許多要求苛刻的應用都受益于基于SiC的電源的可靠性。

改進的多功能性：憑借其高功率密度和在高溫、高壓環境中的高效運行，SiC被用于各行各業和設備，以提供功能強大、經濟高效的解決方案，以平衡靈活性和功率密度需求。碳化硅在工業安裝中具有非凡的價值，但許多行業，如航空航天和醫療保健，也受益于碳化硅應用的靈活性和堅固性。

SiC與Si在電源應用中的比較

硅已經存在了幾十年，許多設計師都依賴它作為一種久經考驗的材料。雖然它在低功耗應用中運行良好，但在使用高功率設備時，它的局限性變得很明顯。在硅開始分解的地方，碳化硅繼續前進。由于其寬禁帶，它可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。

雖然硅的工作溫度高達150攝氏度，但SiC可以額外高出50攝氏度。它可以支持比硅高10倍的開關頻率和電壓。

在許多情況下，硅會降低在高擊穿電壓下可能發生的導通電阻。但是，這會增加開關損耗和發熱問題。這些問題阻礙了硅在高頻應用中的有效性。碳化硅可以在高電壓和高速下提供這些低導通電阻。

碳化硅大放異彩的一些領域包括：

電動汽車充電：電動汽車充電站具有獨特的電力需求，包括高效率、堅固性、雙向能量流和高功率密度。SiC的快速開關可以減少所需的組件數量，并在更小的空間內提供更多的功率，非常適合從一個站點為多輛車充電。

功率因數校正：提高電源的功率因數可以平滑短而高幅度的脈沖，從而更有效地利用輸入功率。SiC的高頻功能有助于減小功率因數校正的元件尺寸和數量，從而降低成本、功率密度和熱管理。

數據中心電源：服務器使用大量電力并持續運行。碳化硅的高效率可以轉化為顯著的成本節約和能源使用，隨著數據需求的攀升，這一點變得越來越重要。

工業應用：工業設備通常依賴于SiC可以提供的高電壓和高速度來實現卓越的精度和功率，從而實現可靠的操作。

可再生能源：隨著可再生能源領域的發展，碳化硅提供了一種有吸引力的方式來幫助滿足高電壓、高功率需求，而無需轉向化石燃料或核能。通過以低成本和更低的復雜性適應這些應用，碳化硅有助于使可再生能源成為更可行的解決方案，并允許許多用戶限制其功耗。

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審核編輯：湯梓紅