SiC相对于Si有哪些优势？

*碳化硅的热度还有多久？

*下游企业特别是车用市场一定要使碳化硅吗？

上面两个话题，今天我们从技术角度上看，碳化硅为什么拥有独特优势，并保持热度：

SiC相对于Si有哪些优势？

从根本上来说，SiC 是一种宽带隙半导体，与传统 Si 半导体相比具有固有的优势。SiC 的这些材料特性可带来更高的性能：

细分领域

电子漂移速度

导热系数

更高的击穿场允许器件在给定区域承受更高的电压。这使得器件设计人员能够在相同的芯片尺寸下增加用于电流流动的面积，从而降低给定面积的器件电阻 (R sp )。该器件的电阻与传导功率损耗直接相关，因此较小的 R sp将导致更低的损耗，从而产生更高的效率。 电子漂移速度是电子由于电场而在材料中移动的速度。SiC 半导体的电子漂移速度比 Si 基半导体高 2 倍。电子移动得越快，设备开关的速度就越快。系统设计人员可以从这种更快的开关中获得两个好处：从开到关的过渡时间内功耗更低，以及使用更小的磁性元件和电容器。

最后，SiC 的导热率大约比 Si 高 3 倍，并将其他特性的所有优点结合在一起。本质上，导热率意味着热量从半导体结传递到外部环境的速度。这意味着 SiC 器件的工作温度可达 200°C，而 Si 的典型极限温度为 150°C。

结合这三个优点，系统设计人员可以设计出更高效的产品，同时使其更小、更轻、成本更低。众所周知，SiC 器件比 Si 器件更昂贵，但如果加上使用更小的无源元件和更少的热管理所带来的成本降低，总体系统成本可以降低 20%。SiC的材料特性使其对于需要高电压、大电流、高温和高导热性且总重量较低的高功率应用非常有利。分立器件和功率模块封装中的MOSFET和肖特基二极管是利用 SiC 的主要技术。

SiC的实际应用及优势

SiC 正在广泛应用于各种现有应用，例如电动汽车、太阳能逆变器、储能系统和电动汽车充电站。它以多种方式使系统设计者和制造商受益以推动这一变化，但这些如何转化为这些最终产品的消费者的利益呢？

首先，我们来看看电动汽车。续航焦虑是限制该技术广泛采用的主要原因。使用 SiC，电动汽车的续航里程可延长7%以上。只需从基于 IGBT 的逆变器切换到 SiC 逆变器，就会对续航里程产生巨大影响。

这可以被视为解决电动汽车采用的另一个挑战的一种方式：成本。

电动汽车中使用的电池是电动汽车中最昂贵的部分。如果使用 SiC 使电动汽车的续航里程延长 7%，那么电池尺寸也可以减少 7%，同时保持续航里程与非 SiC 基线相当。更小的电池组将直接导致电动汽车整体成本的降低。

这就是碳化硅在电动汽车中的采用如此强劲的原因，也是推动碳化硅制造商实现巨大收入预测的原因。

其次，与电动汽车相关的是电动汽车充电站和充电基础设施的建设。

就电动汽车充电站而言，主要问题之一是功率密度。这就是 SiC 的用武之地，因为它使系统设计人员能够在相同的体积内获得更多的功率，或者在保持功率相同的情况下将体积减小 300%。

对于电动汽车充电站而言，在相同体积内输出更多电量是使用 SiC 的主要驱动力。目标是能够在与人们在加油站花费的时间相同的时间内为电动汽车充电。这只能通过增加充电站向电动汽车输送的电量来实现。

SiC 还通过制造更小、更轻的太阳能逆变器来帮助可再生能源市场。

利用 SiC 实现的更快开关频率，太阳能逆变器可以使用更小、更轻的磁性元件。根据功率水平，这可以使太阳能逆变器的重量低于 50 磅，这是职业安全与健康管理局 (OSHA) 规定的个人举起的最大限制。

超过50磅，建议使用两人或多人或起重设备。仅需一人安装，降低了安装成本，深受安装人员和消费者的青睐。这一优势也适用于壁箱式电动汽车充电器。当然，在太阳能逆变器中使用 SiC 还有其他实际好处，例如整体效率提升和整体系统成本降低。

即使是工业电机驱动器也可以通过改用 SiC 获得实际好处。

SiC 为电机逆变器提供了更高的效率、更小的尺寸和更强的散热能力，从而允许将电机驱动器放置在本地甚至电机本身上。

对于使用 Si IGBT 的解决方案来说，这减少了对连接至电源柜的多条长电缆的需求。相反，SiC 解决方案仅需要两根电缆连接到电源柜。

这消除了下图中七电机关节式机械臂示例所需的数百英尺昂贵且复杂的布线。

之前的应用示例都受益于 SiC 强大的耐用性和可靠性，当设计人员考虑使用其他 WBG半导体（例如 GaN）时，这是一个关键的区别因素。

利用 SiC 推动世界脱碳

上述应用程序的一个共同点是它们都能够实现脱碳。

电动汽车可直接减少运输过程中排放的CO 2磅数。它们的尾气排放量为零；然而，它们消耗由CO 2排放源产生的电力。包括这些排放在内，美国能源部平均电动汽车的年排放量为 2,817 磅 CO 2，而使用汽油的车辆的年排放量为 12,594 磅 CO 2 。也就是说，排放到大气中的CO 2量减少了78% 。

电动汽车充电站对脱碳没有直接影响，但如果没有强大的直流快速充电站基础设施，电动汽车的采用将受到限制。里程焦虑仍然是电动汽车普及率不足的一个重要原因。90%拥有电动汽车的美国家庭拥有多辆车，89% 拥有电动汽车的家庭拥有任何类型的非电动汽车，这一事实也强化了这一点。

这些统计数据突显出，消费者并不相信他们的电动汽车能够满足他们的所有需求，主要是长途旅行的需求。

自 2009 年以来，光伏发电的成本下降了近 90%，成为成本最低的能源发电来源，截至 2020 年，光伏发电成本为 37 美元/兆瓦时。相比之下，煤炭为 112 美元/兆瓦时，天然气为 59 美元/兆瓦时。与其他能源相比，太阳能使世界能够以最低的成本生产 CO 2零排放的能源。碳化硅不能声称成本降低了很多，但它是太阳能发电成本下降的一个重要原因。

世界正在朝着使用更多电能的方向发展，因此不断提高消耗电能的设备的效率非常重要。电动机占全球电力消耗的40%至50%。提高这些电动机的效率至关重要，因为世界上大量的此类电动机会放大微小的效率增益。

SiC 不仅有助于加速现有应用的脱碳，而且还使以前不可行的应用成为可能。其中一个例子是电动垂直起降 (eVTOL) 飞机。正如 SiC 可以延长电动汽车的续航里程一样，它也为 eVTOL 提供了延长的续航里程，使它们更加实用。

SiC 使这些终端系统更加高效、可靠、稳健、更小、更轻且总体成本更低，从而有助于加速这些终端系统的采用。

随着下游市场的持续推动，碳化硅还将持续拥有热度！

来源：三代半导体芯研究

审核编辑：汤梓红