SiC相較于Si的優(yōu)勢(shì)是什么？SiC加速向脫碳方向發(fā)展

如今，大多數(shù)半導(dǎo)體都是以硅（Si）為基材料，但近年來(lái)，一個(gè)相對(duì)新的半導(dǎo)體基材料正成為頭條新聞。這種材料就是碳化硅，也稱為SiC。目前，SiC主要應(yīng)用于MOSFET和肖特基二極管等半導(dǎo)體技術(shù)。

SiC相較于Si的優(yōu)勢(shì)是什么？

在根本上，碳化硅（SiC）被視為寬禁帶半導(dǎo)體，相較于傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體，具有固有的優(yōu)勢(shì)。SiC的材料特性導(dǎo)致了以下較高的優(yōu)點(diǎn)：

突破場(chǎng)

電子漂移速度

熱導(dǎo)率

突破場(chǎng)

更高的突破場(chǎng)使得器件能夠承受更高的電壓，同時(shí)保持相同的面積。這使得器件設(shè)計(jì)者可以增加用于電流流動(dòng)的面積，從而降低單位面積的電阻，即Rsp。器件的電阻直接影響導(dǎo)電損耗，因此更小的Rsp將導(dǎo)致更低的損耗，從而提高效率。

電子漂移速度

電子漂移速度指電子在電場(chǎng)作用下在材料中移動(dòng)的速度。在SiC半導(dǎo)體中，電子漂移速度是Si基半導(dǎo)體的兩倍。電子移動(dòng)得越快，器件切換的速度就越快。由此快速切換帶來(lái)兩個(gè)好處：一是在開關(guān)過(guò)程中的功率損耗較低，二是更高的切換頻率允許使用更小的磁性元件和電容器。

熱導(dǎo)率

SiC的熱導(dǎo)率大約是Si的三倍，它將其他特性的優(yōu)點(diǎn)相互聯(lián)系在一起。熱導(dǎo)率決定了熱量從半導(dǎo)體結(jié)到外部環(huán)境的傳遞速度。這意味著SiC器件可以在高達(dá)200°C的溫度下運(yùn)行，而Si通常限制在150°C。

結(jié)合這三個(gè)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)出更高效的產(chǎn)品，同時(shí)使其更小、更輕，最終降低成本。盡管眾所周知SiC器件相較于Si等效器件更昂貴，但使用更小的被動(dòng)元件和較少的熱管理可以降低整體系統(tǒng)成本約20%。碳化硅的材料特性使其在高功率應(yīng)用中非常有優(yōu)勢(shì)，特別是需要高電壓、高電流、高溫度和高熱導(dǎo)率以及整體重量較小的領(lǐng)域。MOSFET和肖特基二極管（在離散和功率模塊封裝中）是主要應(yīng)用SiC的技術(shù)。

碳化硅的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

碳化硅正在被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能逆變器、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)和電動(dòng)汽車充電站。它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和制造商帶來(lái)了多重優(yōu)勢(shì)，那么這些優(yōu)勢(shì)又如何轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的消費(fèi)者的好處呢？

首先，讓我們來(lái)看看電動(dòng)汽車（EV）。限制廣泛采用EV的主要原因是續(xù)航焦慮。通過(guò)使用碳化硅，EV的續(xù)航里程可以增加超過(guò)7％。僅僅通過(guò)從IGBT逆變器轉(zhuǎn)換為SiC逆變器，就可以對(duì)續(xù)航里程產(chǎn)生顯著影響。優(yōu)勢(shì)并未止于此。SiC的應(yīng)用還解決了EV采用的挑戰(zhàn)：成本。EV中最昂貴的部分是電池。如果使用SiC使EV的續(xù)航里程增加7％，同時(shí)保持續(xù)航里程與非SiC基準(zhǔn)相當(dāng)，還可以使電池容量減少7％。更小的電池組將直接導(dǎo)致EV的總體成本降低。這就是為什么SiC在EV中應(yīng)用如此強(qiáng)大，并且正推動(dòng)SiC制造商的大額收入預(yù)測(cè)。

與EV相關(guān)的還有EV充電站及其充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。在EV充電站的情況下，一個(gè)主要考慮因素是功率密度。在這方面，碳化硅起到了作用，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠在相同體積內(nèi)傳輸更多功率，或者保持功率不變，同時(shí)將體積減少300％。在相同體積內(nèi)提供更多功率是使用碳化硅用于EV充電站的主要驅(qū)動(dòng)力。目標(biāo)是使充電站能夠在與人在加油站停留的時(shí)間相同的時(shí)間內(nèi)為EV充電。這只有通過(guò)增加充電站向EV傳送的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

碳化硅還通過(guò)制造更小、更輕的太陽(yáng)能逆變器，有助于可再生能源市場(chǎng)。利用SiC所能實(shí)現(xiàn)的更快的切換頻率，太陽(yáng)能逆變器可以使用更小、更輕的磁性元件。根據(jù)功率級(jí)別的不同，太陽(yáng)能逆變器的重量可以小于五十磅。五十磅是由職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）規(guī)定的個(gè)人最大舉重限制。超過(guò)五十磅的舉重設(shè)備需要兩個(gè)或更多人，或者使用舉升設(shè)備。

通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)更輕的太陽(yáng)能逆變器，組織只需要一個(gè)人進(jìn)行安裝。這降低了安裝成本，對(duì)于安裝人員和消費(fèi)者而言更具吸引力。這種優(yōu)勢(shì)同樣適用于壁式EV充電器。當(dāng)然，使用碳化硅在太陽(yáng)能逆變器中還有其他實(shí)際好處，例如整體效率提升和系統(tǒng)成本降低。

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也因轉(zhuǎn)換至SiC而受益。碳化硅提供了電機(jī)逆變器的效率改進(jìn)、尺寸縮小和散熱增強(qiáng)，從而使電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以本地安裝或安裝在電機(jī)本身上。這降低了對(duì)多個(gè)長(zhǎng)電纜返回電源柜的需求，而使用Si IGBT的解決方案需要數(shù)百英尺昂貴且復(fù)雜的電纜。通過(guò)SiC解決方案，只需要2條電纜連接至電源柜。這消除了數(shù)百英尺昂貴且復(fù)雜的電纜，對(duì)于七電機(jī)伸縮機(jī)械臂等示例中使用SiC的解決方案而言，這將大大節(jié)省成本。

用碳化硅推動(dòng)世界向脫碳發(fā)展

電動(dòng)汽車通過(guò)直接減少由交通運(yùn)輸產(chǎn)生的二氧化碳排放量，為脫碳做出貢獻(xiàn)。電動(dòng)汽車沒(méi)有尾氣排放，但它們消耗的電力來(lái)自二氧化碳排放源。加入這些排放量后，美國(guó)能源部平均將電動(dòng)汽車的年排放量約為2,817磅二氧化碳，而使用汽油的汽車則為12,594磅二氧化碳。這意味著大氣中排放的二氧化碳量減少了78%。

電動(dòng)汽車充電站對(duì)脫碳沒(méi)有直接影響，但如果沒(méi)有牢固的直流快速充電站基礎(chǔ)設(shè)施，電動(dòng)汽車的普及將受到限制。續(xù)航焦慮仍然是影響電動(dòng)汽車普及的重要原因。90%的美國(guó)家庭擁有一輛電動(dòng)汽車，而其它車輛很可能不是電動(dòng)汽車。這些數(shù)據(jù)突顯出消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車能否滿足所有需求，特別是長(zhǎng)途旅行的信心不足。

自2009年以來(lái)，光伏太陽(yáng)能發(fā)電的成本下降了近90％，使其成為2020年時(shí)以37美元/兆瓦時(shí)的最低成本能源發(fā)電來(lái)源。相比之下，煤炭的成本為112美元/兆瓦時(shí)，天然氣為59美元/兆瓦時(shí)。太陽(yáng)能使世界能夠以零二氧化碳排放的方式產(chǎn)生能源，同時(shí)成本又是其他能源來(lái)源的最低。碳化硅不能完全歸功于這種成本降低，但它是太陽(yáng)能發(fā)電成本降低的一個(gè)原因。

世界正朝著更多地使用電能發(fā)展，因此改進(jìn)消耗電能設(shè)備的效率非常重要。電動(dòng)機(jī)占據(jù)了世界電力消耗的40-50％。將這些電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)得高效率至關(guān)重要，因?yàn)榧词故切》鹊男侍岣?，也?huì)因全球大量電動(dòng)機(jī)的使用而得到放大。

碳化硅不僅加速了現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域的脫碳進(jìn)程，還推動(dòng)了之前不可行的應(yīng)用領(lǐng)域。其中一個(gè)例子是電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器。就像碳化硅為電動(dòng)汽車提供了續(xù)航里程一樣，它也為eVTOL提供了延長(zhǎng)的續(xù)航里程，使其更具實(shí)用性。

碳化硅半導(dǎo)體通過(guò)使終端系統(tǒng)更高效、可靠、強(qiáng)大、更小、更輕和整體成本更低，有助于加速這些應(yīng)用的采用。

?




審核編輯：劉清