SiC優勢、應用及加速向脫碳方向發展

如今，大多數半導體都是以硅（Si）為基材料，但近年來，一個相對新的半導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主要應用于MOSFET和肖特基二極管等半導體技術。

SiC相較于Si的優勢是什么？

在根本上，碳化硅（SiC）被視為寬禁帶半導體，相較于傳統的Si半導體，具有固有的優勢。SiC的材料特性導致了以下較高的優點：

突破場

電子漂移速度

熱導率

突破場

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

電子漂移速度

電子漂移速度指電子在電場作用下在材料中移動的速度。在SiC半導體中，電子漂移速度是Si基半導體的兩倍。電子移動得越快，器件切換的速度就越快。由此快速切換帶來兩個好處：一是在開關過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。

熱導率

SiC的熱導率大約是Si的三倍，它將其他特性的優點相互聯系在一起。熱導率決定了熱量從半導體結到外部環境的傳遞速度。這意味著SiC器件可以在高達200°C的溫度下運行，而Si通常限制在150°C。

結合這三個優勢，系統設計者可以設計出更高效的產品，同時使其更小、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，但使用更小的被動元件和較少的熱管理可以降低整體系統成本約20%。碳化硅的材料特性使其在高功率應用中非常有優勢，特別是需要高電壓、高電流、高溫度和高熱導率以及整體重量較小的領域。MOSFET和肖特基二極管（在離散和功率模塊封裝中）是主要應用SiC的技術。

碳化硅的實際應用優勢

碳化硅正在被廣泛應用于多個領域，例如電動汽車、太陽能逆變器、能量儲存系統和電動汽車充電站。它為系統設計者和制造商帶來了多重優勢，那么這些優勢又如何轉化為最終產品的消費者的好處呢？

首先，讓我們來看看電動汽車（EV）。限制廣泛采用EV的主要原因是續航焦慮。通過使用碳化硅，EV的續航里程可以增加超過7％。僅僅通過從IGBT逆變器轉換為SiC逆變器，就可以對續航里程產生顯著影響。優勢并未止于此。SiC的應用還解決了EV采用的挑戰：成本。EV中最昂貴的部分是電池。如果使用SiC使EV的續航里程增加7％，同時保持續航里程與非SiC基準相當，還可以使電池容量減少7％。更小的電池組將直接導致EV的總體成本降低。這就是為什么SiC在EV中應用如此強大，并且正推動SiC制造商的大額收入預測。

與EV相關的還有EV充電站及其充電基礎設施的建設。在EV充電站的情況下，一個主要考慮因素是功率密度。在這方面，碳化硅起到了作用，使系統設計者能夠在相同體積內傳輸更多功率，或者保持功率不變，同時將體積減少300％。在相同體積內提供更多功率是使用碳化硅用于EV充電站的主要驅動力。目標是使充電站能夠在與人在加油站停留的時間相同的時間內為EV充電。這只有通過增加充電站向EV傳送的功率來實現。

碳化硅還通過制造更小、更輕的太陽能逆變器，有助于可再生能源市場。利用SiC所能實現的更快的切換頻率，太陽能逆變器可以使用更小、更輕的磁性元件。根據功率級別的不同，太陽能逆變器的重量可以小于五十磅。五十磅是由職業安全與健康管理局（OSHA）規定的個人最大舉重限制。超過五十磅的舉重設備需要兩個或更多人，或者使用舉升設備。通過創建一個更輕的太陽能逆變器，組織只需要一個人進行安裝。這降低了安裝成本，對于安裝人員和消費者而言更具吸引力。這種優勢同樣適用于壁式EV充電器。當然，使用碳化硅在太陽能逆變器中還有其他實際好處，例如整體效率提升和系統成本降低。

工業電機驅動也因轉換至SiC而受益。碳化硅提供了電機逆變器的效率改進、尺寸縮小和散熱增強，從而使電機驅動可以本地安裝或安裝在電機本身上。這降低了對多個長電纜返回電源柜的需求，而使用Si IGBT的解決方案需要數百英尺昂貴且復雜的電纜。通過SiC解決方案，只需要2條電纜連接至電源柜。這消除了數百英尺昂貴且復雜的電纜，對于七電機伸縮機械臂等示例中使用SiC的解決方案而言，這將大大節省成本。

用碳化硅推動世界向脫碳發展

電動汽車通過直接減少由交通運輸產生的二氧化碳排放量，為脫碳做出貢獻。電動汽車沒有尾氣排放，但它們消耗的電力來自二氧化碳排放源。加入這些排放量后，美國能源部平均將電動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%。

電動汽車充電站對脫碳沒有直接影響，但如果沒有牢固的直流快速充電站基礎設施，電動汽車的普及將受到限制。續航焦慮仍然是影響電動汽車普及的重要原因。90%的美國家庭擁有一輛電動汽車，而其它車輛很可能不是電動汽車。這些數據突顯出消費者對電動汽車能否滿足所有需求，特別是長途旅行的信心不足。

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

世界正朝著更多地使用電能發展，因此改進消耗電能設備的效率非常重要。電動機占據了世界電力消耗的40-50％。將這些電動機設計得高效率至關重要，因為即使是小幅度的效率提高，也會因全球大量電動機的使用而得到放大。

碳化硅不僅加速了現有應用領域的脫碳進程，還推動了之前不可行的應用領域。其中一個例子是電動垂直起降（eVTOL）飛行器。就像碳化硅為電動汽車提供了續航里程一樣，它也為eVTOL提供了延長的續航里程，使其更具實用性。

碳化硅半導體通過使終端系統更高效、可靠、強大、更小、更輕和整體成本更低，有助于加速這些應用的采用。

來源：三代半導體芯研究

審核編輯：湯梓紅