高压碳化硅如何重新定义关键电源

超越硅基极限：

高压碳化硅如何重新定义关键电源

作者：John Perry, Wolfspeed 副总裁兼中压与高压产品总经理

全球电气化、人工智能 (AI) 数据中心、能源转型和关键基础设施正推动着前所未有的电力需求 — 而处于这一转变核心的负载是动态的、双向的，并且日益集中在传统系统设计时未充分考量的中高压 (MV/HV) 运行点上。在基础设施层面，传统的铁芯变压器是被动的、单向的、体积庞大，并且部署速度缓慢，无法跟上现代电网和数据中心建设的步伐。在器件层面，硅 (Si) 基半导体在中高电压下遭遇了硬性的物理极限 — 迫使工程师将多个组件串联堆叠，而每增加一级，损耗、热量、复杂性和失效点都会成倍增加。

碳化硅 (SiC) 同时在两个层面上改变了这一局面。碳化硅 (SiC) 的宽禁带材料特性使其能够实现显著更高的击穿电压、更快的开关速度，以及硅 (Si) 器件失效温度下的工作能力 — 从而消除了对于串联堆叠硅 (Si) 器件的需求，并能够在整个中高压 (MV/HV) 范围内实现紧凑、高效的转换级。而且，就像铁芯变压器曾经定义了电力基础设施的架构一样，碳化硅 (SiC) 使得新一代固态变压器 (SST) 成为可能，它能够将中电压电网电力直接转换为可用的直流电，具备双向控制、模块化外形尺寸，并且部署时间以月而非年计算。

中高压 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 如何改变规则

对于处于崩溃边缘的电力系统而言，解决方案是什么？答案是在功率器件中采用中高压(MV/HV) 碳化硅 (SiC)，它使得以前"不切实际"的架构变得可行。

中高电压 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 器件相比硅 (Si) 器件具有三大根本优势：

更高的击穿电压，使得设计人员能够采用更少的高电压开关取代长串的低电压器件

更高的效率和开关频率，减小了磁性元件、冷却系统和整体系统尺寸

在恶劣环境下的高温工作能力和鲁棒可靠性，这些环境包括深海（海底压缩机）、远海（风力发电机）和深地（采矿）作业

其结果是已经在全球一些最关键和增长最快的行业中带来了新的可能性：

固态变压器 (SST)，实现电网互联和数据中心电力传输的现代化

高压直流输电，实现长距离大容量电力传输、跨境电网互联以及海上能源整合

地面电站太阳能和电池储能逆变器，在 1500V 直流及以上电压运行

中压工业电机驱动器，需要在重工业、采矿业和关键制造业中采用

高压脉冲功率系统，需要在吉瓦级实现精确、高速开关

高压碳化硅 (SiC) 已产生显著影响的三个行业

让我们看看几个行业，凭借碳化硅 (SiC) 的独有特性，成功应对了当今一些最棘手的电力现实挑战。

人工智能 (AI) 数据中心：大幅减少能源浪费和冷却成本，同时提高整体系统效率

高压碳化硅 (SiC) 正在通过应对加速计算带来的巨大电力需求来革新人工智能 (AI) 数据中心，可将电力转换损耗降低 25-40%。此外，碳化硅 (SiC) 能够在更高电压和更高温度下高效运行，减少了对大规模冷却基础设施的需求。基于碳化硅 (SiC) 的电源单元可降低高达 40% 的冷却能源成本，从而缓解 GPU 的高热量输出。通过在 11 kW 和 25 kW 的冷却系统中采用碳化硅 (SiC)，可将整体系统效率提升高达 2.4%。

采矿业与稀土：将能源转化为产出

传统的采矿和矿物加工消耗全球电力的 3-4%，并产生约 15% 的全球排放量。机械碎石是最耗能的环节之一。脉冲功率碎石机中的传统机械火花隙开关频繁磨损，迫使运营商不得不应对停机、维护和生产损失。高压碳化硅 (SiC) 使得采矿企业能够从机械碎石系统转向脉冲功率碎石系统，后者能耗降低约 80%，同时产出更高。此外，碳化硅 (SiC) 脉冲功率系统具有极长的工作寿命、更精确的控制和更高的每吨矿石金属回收率，这对于关键稀土矿床尤为重要。

海底能源与海上风电：为人力难以企及的地方赋能

在海底油气领域，电力电子设备坐落在海床上，一旦发生故障就会导致生产停止并需要昂贵的介入处理。与此同时，海上风力发电机正朝着更高电压和更大叶片发展。风机机舱（容纳风力发电机所有发电组件的壳体）空间固定，但必须容纳越来越大的变流器。在这方面，高压碳化硅 (SiC) 变流器提供了高得多的功率密度 — 在相同的风机机舱空间内可以应对更多的功率 — 并支持 20-25 年的设计寿命，减少维护次数，从而降低总体能源成本。

是什么阻碍了高压碳化硅 (SiC) 的发展 — 以及为什么这种情况正在改变

由来已久的阻碍因素一直制约着碳化硅 (SiC) 的全面应用。碳化硅 (SiC) 器件比商品化的硅 (Si) 器件更昂贵，但是简单的单价比较却忽略了系统层面的节约。针对固态变压器 (SST) 和电网设备中高压 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 的一些标准和认证仍未被定义。当然，设计安全、可靠的 6.5-10 kV 栅极驱动和磁性元件并非易事，需要具备合适工具且技能娴熟的设计工程师。

但这些差距正在迅速缩小。随着在海上和工业领域采用的攀升，成本正在下降，供应链变得更加稳健。围绕标准封装和多供应商策略的行业合作正在涌现，以降低供应风险。领先的碳化硅 (SiC) 创新者正在投资应用工程、参考设计和验证数据，从而助力客户更快地度过学习曲线。

选择合适的碳化硅 (SiC) 合作伙伴

随着电网运营商、采矿作业和能源公司不再满足于对硅 (Si) 的渐进式升级，他们将需要能够同时提供器件和深厚应用专业知识的合作伙伴。这是因为向高压碳化硅 (SiC) 的转变不仅仅是一次技术升级。它代表了中高压 (MV/HV) 电力基础设施中长达数十年的增长机会。

这正是 Wolfspeed 发挥核心作用的地方。在我们自己的客户中，我们看到采用中高压 (MV/HV) 碳化硅 (SiC) 是构建未来 20-25 年电力系统的关键驱动力。Wolfspeed 在高压碳化硅 (SiC) 领域拥有悠久的历史，相关工作可追溯到近二十年前，包括开发了数十种阻断电压高达 27 kV 的器件，涵盖 MOSFET、IGBT、晶闸管、PiN二极管和JBS二极管等多种器件结构。更重要的是，我们从材料到模块的垂直整合布局，使我们在解决最棘手的中高压 (MV/HV) 问题上拥有先发优势。丰富的经验和专业知识使得我们能够从各个层面攻克中高压 (MV/HV) 挑战，从控制晶体生长和厚外延层，到制造碳化硅 (SiC) 材料和器件。然后，我们还可以将这些成果转化为实际应用场景中更高的性能和更好的产出。

对于期望在深海油田、偏远矿山或大型人工智能 (AI) 数据中心中实现流畅运行的运营商来说，这种材料、器件和应用专业知识的整合正迅速成为"有前途的碳化硅 (SiC) 路线图"与"经过验证的、可靠的现场系统"之间的区别所在。如果您的中高压 (MV/HV) 策略尚未充分利用碳化硅 (SiC) 所能提供的全部潜力，那么现在或许是时候重新审视原有功率组件中的那些基础假设了。

关于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码：WOLF）在全球范围内推动碳化硅技术采用方面处于市场领先地位，这些碳化硅技术为全球最具颠覆性的创新成果提供了动力支持。作为碳化硅领域的引领者和全球最先进半导体技术的创新者，我们致力于为人人享有的美好世界赋能。Wolfspeed 通过面向各种应用的碳化硅材料、功率模块、分立功率器件和功率裸芯片产品，助您实现梦想，成就非凡 (The Power to Make It Real)。