Повышение энергоэффективности промышленных систем с карбидом кремния (SIC)

Промышленные системы, такие как источники питания серверов, источники бесперебойного питания (ИБП) и моторные приводы, потребляют значительную часть вырабатываемой мировой энергии. Таким образом, любое повышение эффективности источников питания существенно снизит эксплуатационные расходы компании. Спрос на высокоэффективные источники с большей плотностью мощности и лучшими тепловыми характеристиками питания растет экспоненциально.

Движущей силой этого роста являются несколько факторов. Во-первых, растущая глобальная осведомленность об особенностях энергетики и все более настоятельная необходимость использовать энергию более разумно и эффективно. Во-вторых, «Интернет вещей» (IоТ — Internet of Things), который привел к внедрению новых технологий и сервисов всех видов в промышленные приложения. Благодаря интеллектуальным отраслевым инициативам, в частности «Индустрия 4.0», оборудование, заводы и рабочие места становятся более интеллектуальными и информированными в связи с использованием устройств, обеспечивающих большую автономию, эффективность,надежность и безопасность.

Однако внедрение промышленной автоматизации, в том числе роботизированных и моторизованных производственных линий, сопровождается ростом потребления электроэнергии и затрат на энергопитание данных систем. Чтобы оставаться конкурентоспособными, производители должны иметь возможность разрабатывать новые технологии, направленные на снижение производственных затрат. Они также должны максимально использовать каждый квадратный метр территории, поскольку площадь, занимаемая оборудованием, непосредственно влияет на эксплуатационные расходы.

Рост энергопотребления распространяется и на центры обработки данных, где размещаются серверы, поддерживающие промышленные приложения. Увеличение потока данных за счет автоматизации, искусственного интеллекта и машинного обучения, в свою очередь, повышает требования к вычислительным ресурсам, необходимым для поддержания работоспособности оборудования. Не менее важны и тепловые характеристики, особенно с учетом того, что до 20% энергии, потребляемой центрами обработки данных, расходуется на работу соответствующих систем охлаждения.

Спрос на повышение эффективности и снижение стоимости

Поскольку промышленное оборудование зачастую работает в режиме «24x7», любое повышение эффективности очень быстро трансформируется в реальное и значительное снижение энергопотребления. Самый быстрый способ решения энергетических проблем — повышение энергоэффективности систем, питающих эти промышленные системы. Как сказал Джон Палмур, один из основателей Сгее Woolfspeed, «самая дешевая энергия — это энергия, которую вы не используете».

Результатом является огромное давление со стороны промышленности, правительства и производителей, требующих разработки более энергосберегающих источников питания. Такие стандарты, как Energy Star и 80 Plus, способствуют эффективному использованию энергии в блоках питания (PSU). Выполняя требования этих стандартов, производители PSU могут продемонстрировать эффективность своих систем взыскательному рынку.

Три требования: плотность мощности, тепловые характеристики и КПД — создают наибольшие проблемы для разработчиков источников питания. Кроме того, решение этих задач должно сопровождаться снижением общей стоимости системы. Традиционные подходы к проектированию PSU обеспечивают некоторое улучшение указанных параметров, но в очень ограниченном диапазоне, поскольку в течение многих лет разработчики были сосредоточены на том, чтобы «выжать» все возможное из систем питания. Для кардинальных изменений необходимы новые подходы.

Преимущества SiC приборов по сравнению с Si приборамиИзмеренный КПД и THD 20 кВт AC-DC конвертер

Карбидокремниевые приборы

Карбид кремния (SiC) — это широкозонный полупроводниковый базовый материал. Его можно использовать как подложку матрицы для производства дискретных компонентов, таких как диоды Шоттки и MOSFET-транзисторы или силовые модули. Исторически в качестве полупроводниковой основы для большинства применений силовой электроники применялся кремний (Si). Однако эффективность SI-приборов в системах питания гораздо ниже, чем SIC, которые имеют множество преимуществ (рис. 1).
Карбид кремния (SiC) имеет следующие преимущества перед традиционным кремнием (SI):
  • Приборы на основе SIC имеют меньше токи утечки по сравнению с SI-аналогами. Это объясняется тем, что электронно-дырочные пары в SIC генерируются медленнее, чем в SI что обеспечивает меньшие потери в заблокированном состоянии.
  • SI-структуры имеют широкую запрещенную зону (3 eV), они способны выдерживать в 8 раз больший градиент напряжения, чем Si без риска лавинного пробоя. Повышенная критическая устойчивость к пробою позволяет Si-компонентам выдерживать более высокое напряжение при таком же размере кристалла, что и Si. Благодаря этому SiC-приборы, такие как MOSFET, могут иметь блокирующее напряжение примерно в 10 раз выше, чем Si. Это позволяет производить модули с очень высоким напряжением и высокой мощностью. Кроме того, Si-кристаллы размещаются очень близко друг к другу, что обеспечивает большую плотность упаковки.
  • Более высокая теплопроводность обеспечивает более эффективную отдачу тепла. Кроме того, благодаря низкому сопротивлению открытого канала уменьшаются потери проводимости.
  • Приборы на основе SiC могут работать на более высоких частотах переключения. Это повышает пиковую эффективность преобразования до >98,5%, что обеспечивает соответствие стандарту 80 Plus Titanium (рис. 2).

Промышленные приложения, в которых выгодно использовать SIC

Особенности SiC-приборов позволяют разработчикам систем питания достичь новых уровней эффективности. Преимущества карбида кремния можно увидеть в ряде промышленных систем:
Корректоры коэффициента мощности (FPC). FPC — это технология, позволяющая значительно уменьшить потери энергии за счет увеличения коэффициента мощности источника питания. Без этого устройства источник питания потребляет ток короткими импульсами с высокой амплитудой. Корректор коэффициента мощности сглаживает эти импульсы, что уменьшает входной среднеквадратичный (RMS) ток и входную мощность. Узел FPC эффективно корректирует форму входного тока, чтобы максимизировать мощность, получаемую от источника питания.
Использование более высоких частот коммутации, достижимых с SiC-ключами, позволяет уменьшить размеры и стоимость компонентов обвязки (рис. 3).

Сравнение схем PFC на основе Si и SiC компонентовКак видно на рис. 3, гибридная схема с использованием SiC MOSFET требует меньшего количества компонентов, она экономичнее и обеспечивает более высокую плотность мощности. Это приводит к сокращению размера, веса и стоимости системы (рис. 4).

Кроме снижения энергопотребления, повышение эффективности преобразования улучшает тепловые характеристики, что обеспечивает дополнительное уменьшение размера и веса источника питания.

SiC приборы Woolfspeed

Зарядка батарей электромобилей: электрические транспортные средства требуют эффективной и быстрой зарядки, чтобы свести к минимуму время простоя. Быстрые зарядные станции имеют значительные преимущества по сравнению с бортовыми зарядными устройствами (ОВС), поскольку обеспечивают время зарядки около 30 мин по сравнению с >4 ч для ОВС. Зарядные станции являются более гибкими системами, обладая возможностью горячей замены блоков преобразования энергии для увеличения времени безотказной работы. Такие станции могут проектироваться с возможностью масштабирования, что гарантирует быстрый выход на рынок и снижение затрат на разработку. Для достижения рыночного успеха зарядная станция должна иметь большую эффективность и плотность мощности, высокую надежность, а также обеспечивать двунаправленный поток энергии для работы с сетями Smart Grid.

При скорости переключения в 2-3 раза выше, чем у кремниевых ключей, зарядные устройства на основе Sic-приборов генерируют до 30% меньше потерь и требуют на 30% меньше компонентов. Как видно из структурной схемы AC-DC конвертера (рис. 5), использование SiC-ключей позволяет снизить количество компонентов в системе, уменьшить ее размеры и стоимость и при этом обеспечить двунаправленную передачу мощности.
Как видно из блок-схемы АСШС- конвертера, использование компонентов на основе SiC позволяет сократить количество элементов в схеме, уменьшить размеры и стоимость системы и одновременно обеспечить двунаправленную передачу мощности.

SiC AC DC конвертерКроме того, более высокий КПД и лучшие тепловые характеристики SiC гарантируют повышение плотности мощности (в среднем на 65%). Это означает, что каждая станция способна генерировать больше энергии, что приводит либо к сокращению времени зарядки, либо к увеличению количества транспортных средств, заряжаемых от одной станции. В настоящее время способность заряжать большее количество электромобилей, как правило, важнее, чем ускорение процесса зарядки. Это связано с тем, что технология аккумуляторных батарей отстает от возможностей современных источников питания, которые могут передавать энергию в батрею быстрее, чем необходимо для безопасной зарядки.

Источники питания серверов: в настоящее время центры обработки данных используют 3% всей энергии в США. Эта цифра, по оценкам, вырастет до 15% в течение следующих семи лет. С развитием IoT центры обработки данных и связанные с ними энергетические и эксплуатационные затраты могут стать ключевым фактором при определении эффективности промышленных систем и интеллектуальных производств. Преимущества SiC-технологии во многом способны повысить эффективность работы центров обработки данных в ближайшие годы. Например, MOSFET и диоды на основе SiC, используемые сегодня в центрах обработки данных, улучшают тепловые характеристики серверов, обеспечивая экономию 40% только за счет снижения затрат на охлаждение.

Автор:

https://www.wolfspeed.com

Перевод:

Евгений Карташов
Валерия Смирнова, wolfspeed@macrogroup.ru

Журнал Силовая электроника № 6, 2021 год.