SiC相對于Si有哪些優(yōu)勢？

*碳化硅的熱度還有多久？

*下游企業(yè)特別是車用市場一定要使碳化硅嗎？

上面兩個話題，今天我們從技術角度上看，碳化硅為什么擁有獨特優(yōu)勢，并保持熱度：

SiC相對于Si有哪些優(yōu)勢？

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

細分領域

電子漂移速度

導熱系數(shù)

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

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

結合這三個優(yōu)點，系統(tǒng)設計人員可以設計出更高效的產品，同時使其更小、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源元件和更少的熱管理所帶來的成本降低，總體系統(tǒng)成本可以降低 20%。SiC的材料特性使其對于需要高電壓、大電流、高溫和高導熱性且總重量較低的高功率應用非常有利。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。

SiC的實際應用及優(yōu)勢

SiC 正在廣泛應用于各種現(xiàn)有應用，例如電動汽車、太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)和電動汽車充電站。它以多種方式使系統(tǒng)設計者和制造商受益以推動這一變化，但這些如何轉化為這些最終產品的消費者的利益呢？

首先，我們來看看電動汽車。續(xù)航焦慮是限制該技術廣泛采用的主要原因。使用 SiC，電動汽車的續(xù)航里程可延長7%以上。只需從基于 IGBT 的逆變器切換到 SiC 逆變器，就會對續(xù)航里程產生巨大影響。

這可以被視為解決電動汽車采用的另一個挑戰(zhàn)的一種方式：成本。

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

這就是碳化硅在電動汽車中的采用如此強勁的原因，也是推動碳化硅制造商實現(xiàn)巨大收入預測的原因。

其次，與電動汽車相關的是電動汽車充電站和充電基礎設施的建設。

就電動汽車充電站而言，主要問題之一是功率密度。這就是 SiC 的用武之地，因為它使系統(tǒng)設計人員能夠在相同的體積內獲得更多的功率，或者在保持功率相同的情況下將體積減小 300%。

對于電動汽車充電站而言，在相同體積內輸出更多電量是使用 SiC 的主要驅動力。目標是能夠在與人們在加油站花費的時間相同的時間內為電動汽車充電。這只能通過增加充電站向電動汽車輸送的電量來實現(xiàn)。

SiC 還通過制造更小、更輕的太陽能逆變器來幫助可再生能源市場。

利用 SiC 實現(xiàn)的更快開關頻率，太陽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)定的個人舉起的最大限制。

超過50磅，建議使用兩人或多人或起重設備。僅需一人安裝，降低了安裝成本，深受安裝人員和消費者的青睞。這一優(yōu)勢也適用于壁箱式電動汽車充電器。當然，在太陽能逆變器中使用 SiC 還有其他實際好處，例如整體效率提升和整體系統(tǒng)成本降低。

即使是工業(yè)電機驅動器也可以通過改用 SiC 獲得實際好處。

SiC 為電機逆變器提供了更高的效率、更小的尺寸和更強的散熱能力，從而允許將電機驅動器放置在本地甚至電機本身上。

對于使用 Si IGBT 的解決方案來說，這減少了對連接至電源柜的多條長電纜的需求。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關節(jié)式機械臂示例所需的數(shù)百英尺昂貴且復雜的布線。

之前的應用示例都受益于 SiC 強大的耐用性和可靠性，當設計人員考慮使用其他 WBG半導體（例如 GaN）時，這是一個關鍵的區(qū)別因素。

利用 SiC 推動世界脫碳

上述應用程序的一個共同點是它們都能夠實現(xiàn)脫碳。

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

電動汽車充電站對脫碳沒有直接影響，但如果沒有強大的直流快速充電站基礎設施，電動汽車的采用將受到限制。里程焦慮仍然是電動汽車普及率不足的一個重要原因。90%擁有電動汽車的美國家庭擁有多輛車，89% 擁有電動汽車的家庭擁有任何類型的非電動汽車，這一事實也強化了這一點。

這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)突顯出，消費者并不相信他們的電動汽車能夠滿足他們的所有需求，主要是長途旅行的需求。

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

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備的效率非常重要。電動機占全球電力消耗的40%至50%。提高這些電動機的效率至關重要，因為世界上大量的此類電動機會放大微小的效率增益。

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

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。

隨著下游市場的持續(xù)推動，碳化硅還將持續(xù)擁有熱度！

來源：三代半導體芯研究