*碳化硅的熱度還有多久？

*下游企業(yè)特別是車(chē)用市場(chǎng)一定要使碳化硅嗎？

上面兩個(gè)話(huà)題，今天我們從技術(shù)角度上看，碳化硅為什么擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并保持熱度：

SiC相對(duì)于Si有哪些優(yōu)勢(shì)？

從根本上來(lái)說(shuō)，SiC 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，與傳統(tǒng) Si 半導(dǎo)體相比具有固有的優(yōu)勢(shì)。SiC 的這些材料特性可帶來(lái)更高的性能：

細(xì)分領(lǐng)域

電子漂移速度

導(dǎo)熱系數(shù)

更高的擊穿場(chǎng)允許器件在給定區(qū)域承受更高的電壓。這使得器件設(shè)計(jì)人員能夠在相同的芯片尺寸下增加用于電流流動(dòng)的面積，從而降低給定面積的器件電阻 (R sp )。該器件的電阻與傳導(dǎo)功率損耗直接相關(guān)，因此較小的 R sp將導(dǎo)致更低的損耗，從而產(chǎn)生更高的效率。 電子漂移速度是電子由于電場(chǎng)而在材料中移動(dòng)的速度。SiC 半導(dǎo)體的電子漂移速度比 Si 基半導(dǎo)體高 2 倍。電子移動(dòng)得越快，設(shè)備開(kāi)關(guān)的速度就越快。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以從這種更快的開(kāi)關(guān)中獲得兩個(gè)好處：從開(kāi)到關(guān)的過(guò)渡時(shí)間內(nèi)功耗更低，以及使用更小的磁性元件和電容器。

最后，SiC 的導(dǎo)熱率大約比 Si 高 3 倍，并將其他特性的所有優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。本質(zhì)上，導(dǎo)熱率意味著熱量從半導(dǎo)體結(jié)傳遞到外部環(huán)境的速度。這意味著 SiC 器件的工作溫度可達(dá) 200°C，而 Si 的典型極限溫度為 150°C。

結(jié)合這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)出更高效的產(chǎn)品，同時(shí)使其更小、更輕、成本更低。眾所周知，SiC 器件比 Si 器件更昂貴，但如果加上使用更小的無(wú)源元件和更少的熱管理所帶來(lái)的成本降低，總體系統(tǒng)成本可以降低 20%。SiC的材料特性使其對(duì)于需要高電壓、大電流、高溫和高導(dǎo)熱性且總重量較低的高功率應(yīng)用非常有利。分立器件和功率模塊封裝中的MOSFET和肖特基二極管是利用 SiC 的主要技術(shù)。

SiC的實(shí)際應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

SiC 正在廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)有應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)充電站。它以多種方式使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和制造商受益以推動(dòng)這一變化，但這些如何轉(zhuǎn)化為這些最終產(chǎn)品的消費(fèi)者的利益呢？

首先，我們來(lái)看看電動(dòng)汽車(chē)。續(xù)航焦慮是限制該技術(shù)廣泛采用的主要原因。使用 SiC，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程可延長(zhǎng)7%以上。只需從基于 IGBT 的逆變器切換到 SiC 逆變器，就會(huì)對(duì)續(xù)航里程產(chǎn)生巨大影響。

這可以被視為解決電動(dòng)汽車(chē)采用的另一個(gè)挑戰(zhàn)的一種方式：成本。

電動(dòng)汽車(chē)中使用的電池是電動(dòng)汽車(chē)中最昂貴的部分。如果使用 SiC 使電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程延長(zhǎng) 7%，那么電池尺寸也可以減少 7%，同時(shí)保持續(xù)航里程與非 SiC 基線(xiàn)相當(dāng)。更小的電池組將直接導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)整體成本的降低。

這就是碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)中的采用如此強(qiáng)勁的原因，也是推動(dòng)碳化硅制造商實(shí)現(xiàn)巨大收入預(yù)測(cè)的原因。

其次，與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的是電動(dòng)汽車(chē)充電站和充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

就電動(dòng)汽車(chē)充電站而言，主要問(wèn)題之一是功率密度。這就是 SiC 的用武之地，因?yàn)樗瓜到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在相同的體積內(nèi)獲得更多的功率，或者在保持功率相同的情況下將體積減小 300%。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電站而言，在相同體積內(nèi)輸出更多電量是使用 SiC 的主要驅(qū)動(dòng)力。目標(biāo)是能夠在與人們?cè)诩佑驼净ㄙM(fèi)的時(shí)間相同的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車(chē)充電。這只能通過(guò)增加充電站向電動(dòng)汽車(chē)輸送的電量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SiC 還通過(guò)制造更小、更輕的太陽(yáng)能逆變器來(lái)幫助可再生能源市場(chǎng)。

利用 SiC 實(shí)現(xiàn)的更快開(kāi)關(guān)頻率，太陽(yáng)能逆變器可以使用更小、更輕的磁性元件。根據(jù)功率水平，這可以使太陽(yáng)能逆變器的重量低于 50 磅，這是職業(yè)安全與健康管理局 (OSHA) 規(guī)定的個(gè)人舉起的最大限制。

超過(guò)50磅，建議使用兩人或多人或起重設(shè)備。僅需一人安裝，降低了安裝成本，深受安裝人員和消費(fèi)者的青睞。這一優(yōu)勢(shì)也適用于壁箱式電動(dòng)汽車(chē)充電器。當(dāng)然，在太陽(yáng)能逆變器中使用 SiC 還有其他實(shí)際好處，例如整體效率提升和整體系統(tǒng)成本降低。

即使是工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可以通過(guò)改用 SiC 獲得實(shí)際好處。

SiC 為電機(jī)逆變器提供了更高的效率、更小的尺寸和更強(qiáng)的散熱能力，從而允許將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放置在本地甚至電機(jī)本身上。

對(duì)于使用 Si IGBT 的解決方案來(lái)說(shuō)，這減少了對(duì)連接至電源柜的多條長(zhǎng)電纜的需求。相反，SiC 解決方案僅需要兩根電纜連接到電源柜。

這消除了下圖中七電機(jī)關(guān)節(jié)式機(jī)械臂示例所需的數(shù)百英尺昂貴且復(fù)雜的布線(xiàn)。

之前的應(yīng)用示例都受益于 SiC 強(qiáng)大的耐用性和可靠性，當(dāng)設(shè)計(jì)人員考慮使用其他 WBG半導(dǎo)體（例如 GaN）時(shí)，這是一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別因素。

利用 SiC 推動(dòng)世界脫碳

上述應(yīng)用程序的一個(gè)共同點(diǎn)是它們都能夠?qū)崿F(xiàn)脫碳。

電動(dòng)汽車(chē)可直接減少運(yùn)輸過(guò)程中排放的CO 2磅數(shù)。它們的尾氣排放量為零；然而，它們消耗由CO 2排放源產(chǎn)生的電力。包括這些排放在內(nèi)，美國(guó)能源部平均電動(dòng)汽車(chē)的年排放量為 2,817 磅 CO 2，而使用汽油的車(chē)輛的年排放量為 12,594 磅 CO 2 。也就是說(shuō)，排放到大氣中的CO 2量減少了78% 。

電動(dòng)汽車(chē)充電站對(duì)脫碳沒(méi)有直接影響，但如果沒(méi)有強(qiáng)大的直流快速充電站基礎(chǔ)設(shè)施，電動(dòng)汽車(chē)的采用將受到限制。里程焦慮仍然是電動(dòng)汽車(chē)普及率不足的一個(gè)重要原因。90%擁有電動(dòng)汽車(chē)的美國(guó)家庭擁有多輛車(chē)，89% 擁有電動(dòng)汽車(chē)的家庭擁有任何類(lèi)型的非電動(dòng)汽車(chē)，這一事實(shí)也強(qiáng)化了這一點(diǎn)。

這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)突顯出，消費(fèi)者并不相信他們的電動(dòng)汽車(chē)能夠滿(mǎn)足他們的所有需求，主要是長(zhǎng)途旅行的需求。

自 2009 年以來(lái)，光伏發(fā)電的成本下降了近 90%，成為成本最低的能源發(fā)電來(lái)源，截至 2020 年，光伏發(fā)電成本為 37 美元/兆瓦時(shí)。相比之下，煤炭為 112 美元/兆瓦時(shí)，天然氣為 59 美元/兆瓦時(shí)。與其他能源相比，太陽(yáng)能使世界能夠以最低的成本生產(chǎn) CO 2零排放的能源。碳化硅不能聲稱(chēng)成本降低了很多，但它是太陽(yáng)能發(fā)電成本下降的一個(gè)重要原因。

世界正在朝著使用更多電能的方向發(fā)展，因此不斷提高消耗電能的設(shè)備的效率非常重要。電動(dòng)機(jī)占全球電力消耗的40%至50%。提高這些電動(dòng)機(jī)的效率至關(guān)重要，因?yàn)槭澜缟洗罅康拇祟?lèi)電動(dòng)機(jī)會(huì)放大微小的效率增益。

SiC 不僅有助于加速現(xiàn)有應(yīng)用的脫碳，而且還使以前不可行的應(yīng)用成為可能。其中一個(gè)例子是電動(dòng)垂直起降 (eVTOL) 飛機(jī)。正如 SiC 可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程一樣，它也為 eVTOL 提供了延長(zhǎng)的續(xù)航里程，使它們更加實(shí)用。

SiC 使這些終端系統(tǒng)更加高效、可靠、穩(wěn)健、更小、更輕且總體成本更低，從而有助于加速這些終端系統(tǒng)的采用。

隨著下游市場(chǎng)的持續(xù)推動(dòng)，碳化硅還將持續(xù)擁有熱度！

來(lái)源：三代半導(dǎo)體芯研究