探討碳化矽如何改變能源系統

碳化矽 (SiC) 已成為各產業提高效率和支援去碳化的基石。更是推動先進電力系統的要素之一，可因應全球對再生能源、電動車 (EV)、資料中心和電網基礎設施日益增長的需求。SiC 技術比傳統矽裝置更具優勢，尤其是在電源轉換效率和熱敏感情況下。對電子和電力產業的整體影響，可帶來更高的獲利與永續性。

兩家業界領先半導體公司的專家，包括 Infineon Technologies 工業和基礎設施行銷總監 Michael Williams，以及 DigiKey 技術行銷工程師 Shawn Luke，將一同分享其對於 SiC 技術對市場之影響與未來發展的看法。

電力消耗的轉移

Williams 表示：「在過去，大多數電力消耗都與某種類型的馬達控制有關，例如工業自動化應用和工廠、鐵路運輸、用於廢水處理或管道中油料等流體的轉動泵浦。在引進碳化矽後，市場開始轉而提高效率，以便在多個轉換階段中降低能量損失並支援高要求的應用。」

這個轉變的重點在於去碳以及新一代再生能源技術的開發，包括再生能源系統、電動車基礎設施和資料中心。還可提升電源轉換效率，從 95% 提高到 98.5%，這個重大轉變可降低能量損耗、減少發熱並將散熱需求降至最低。

電網基礎設施

光是將電力從電網或高壓電力線傳輸到資料中心，就會造成 5 至 6% 的電力損耗，因為這期間會經過多層轉換。據估計，光是資料中心就占當今全球能源消耗量的 3%，預計到 2030 年將上升至 4% (Data Centre 雜誌，2022)，而且預期不會減緩。SiC 能在資料中心的電力基礎設施中發揮作用，可在電網規模的儲能系統和太陽能中央逆變器中促進效率並降低系統成本。此複合式解決方案能讓未來的資料中心在微電網環境中運作，進而減少原本就已緊繃的美國電網負載。

Luke 表示：「隨著汽車電氣化，我們看到許多公版設計都搭載了雙向充電和進階的電力電子裝置，這表示可在離峰時段充電，並在尖峰時段將電力重新送回電網。」

SiC 屬於寬能隙技術，可在電動車充電等應用中支援更高電壓的處理和更快的切換速度。這促成了全球電網基礎設施的徹底轉型，同時更降低系統複雜性和整體成本。

使用 SiC 技術進行設計

SiC 技術能有效因應效率問題，但有時設計人員需要的是小型產品，這時寬能隙 (WBG) 或矽 (Si) 裝置就可派上用場。

「就像設計人員有三種技術可供選擇一樣，也會有三個基本的設計考量因素。是否要讓產品符合成本效益；是否要讓產品緊湊；是否要讓產品高效率？」Williams 如此說明。「若有任意兩項優先考量，設計人員可挑選矽解決方案。然而，若設計涉及全部三項考量，就要採用寬能隙裝置。促使採用緊湊型產品的關鍵因素在於提高切換頻率，以縮小系統中磁性元件和電容的尺寸。」

由於 SiC 技術具備 WBG 能力，電壓位準可以提高，能進一步實作新一代技術。挑戰在於 SiC 是一種使用上較複雜的材料，因為基材比傳統矽硬得多。

電力循環是封裝開發中的一個關鍵因素，因為這會對 SiC 裸晶及其引線架或基板之間的互連部分造成壓力，因此有可能會導致裝置提前故障。開發新的互連技術就可改善未來 SiC 裝置的電力循環效能，這對滿足未來電網要去碳的要求來說非常重要。

William 表示：「與過去的馬達驅動應用相比，如今的應用採用更高的電力循環。Infineon 一直專注於開發 .XT 技術，這種先進的互連技術與標準軟焊接技術相比，經過證實可將電力循環效能提高 22 倍以上。這項技術的發展可促成更高的功率密度、更優異的熱效能，以及最長的系統壽命，有利於轉用更多再生能源。」

電源轉換市場的創新

專家對電網去碳這個領域感到興奮，當中涉及脫離化石燃料發電廠 (如煤炭和石油) 的轉型。

Luke 表示：「去碳既可發生在宏觀層面的改變上，像是電力公司逐漸轉往風力、太陽能和水力發電，也可以發生在消費者層面，例如透過電動車等。像 SiC 這樣的推進力，正協助我們比以往更邁向微電網發展，將電源區域化以減少轉換和損耗，藉此協助達成去碳目標。」

他們認為有另一項創新會對電力產業帶來巨大衝擊，就是固態變壓器的實作。這些變壓器可大幅增強電網的基礎設施、縮小公用事業現場的規模、安裝時間和整體複雜性。部署固態變壓器可促成模組化的高壓系統以及微電網解決方案，進而達到更永續的配電。

接下來呢？

隨著新技術不斷推出，預計 SiC 將持續受到運用。

Williams 說道：「Infineon 的專家預測，矽電力切換裝置將在未來十年內繼續主導市場。我們提供全部三種切換技術：矽、碳化矽和氮化鎵，因此在市場上具有獨特地位，且沒有受到寬能隙電力裝置造成整體市場規模縮小的威脅。」

像 Infineon 這樣的企業正投入大規模製造以提高產能，並且開發解決方案，以提高電源效率，同時降低 SiC 技術的成本。模組化微電網、分散式直流網路和核融合反應爐等創新即將問世，這些進展的技術核心都有 SiC 的存在。

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