SiC相较于Si的优势是什么？碳化硅的实际应用优势

SiC优势、应用及加速向脱碳方向发展

如今，大多数半导体都是以硅（Si）为基材料，但近年来，一个相对新的半导体基材料正成为头条新闻。这种材料就是碳化硅，也称为SiC。目前，SiC主要应用于MOSFET和肖特基二极管等半导体技术。

SiC相较于Si的优势是什么？

在根本上，碳化硅（SiC）被视为宽禁带半导体，相较于传统的Si半导体，具有固有的优势。SiC的材料特性导致了以下较高的优点：

突破场

电子漂移速度

热导率

突破场

更高的突破场使得器件能够承受更高的电压，同时保持相同的面积。这使得器件设计者可以增加用于电流流动的面积，从而降低单位面积的电阻，即Rsp。器件的电阻直接影响导电损耗，因此更小的Rsp将导致更低的损耗，从而提高效率。

电子漂移速度

电子漂移速度指电子在电场作用下在材料中移动的速度。在SiC半导体中，电子漂移速度是Si基半导体的两倍。电子移动得越快，器件切换的速度就越快。由此快速切换带来两个好处：一是在开关过程中的功率损耗较低，二是更高的切换频率允许使用更小的磁性元件和电容器。

热导率

SiC的热导率大约是Si的三倍，它将其他特性的优点相互联系在一起。热导率决定了热量从半导体结到外部环境的传递速度。这意味着SiC器件可以在高达200°C的温度下运行，而Si通常限制在150°C。

结合这三个优势，系统设计者可以设计出更高效的产品，同时使其更小、更轻，最终降低成本。尽管众所周知SiC器件相较于Si等效器件更昂贵，但使用更小的被动元件和较少的热管理可以降低整体系统成本约20%。碳化硅的材料特性使其在高功率应用中非常有优势，特别是需要高电压、高电流、高温度和高热导率以及整体重量较小的领域。MOSFET和肖特基二极管（在离散和功率模块封装中）是主要应用SiC的技术。

碳化硅的实际应用优势

碳化硅正在被广泛应用于多个领域，例如电动汽车、太阳能逆变器、能量储存系统和电动汽车充电站。它为系统设计者和制造商带来了多重优势，那么这些优势又如何转化为最终产品的消费者的好处呢？

首先，让我们来看看电动汽车（EV）。限制广泛采用EV的主要原因是续航焦虑。通过使用碳化硅，EV的续航里程可以增加超过7％。仅仅通过从IGBT逆变器转换为SiC逆变器，就可以对续航里程产生显著影响。优势并未止于此。SiC的应用还解决了EV采用的挑战：成本。EV中最昂贵的部分是电池。如果使用SiC使EV的续航里程增加7％，同时保持续航里程与非SiC基准相当，还可以使电池容量减少7％。更小的电池组将直接导致EV的总体成本降低。这就是为什么SiC在EV中应用如此强大，并且正推动SiC制造商的大额收入预测。

与EV相关的还有EV充电站及其充电基础设施的建设。在EV充电站的情况下，一个主要考虑因素是功率密度。在这方面，碳化硅起到了作用，使系统设计者能够在相同体积内传输更多功率，或者保持功率不变，同时将体积减少300％。在相同体积内提供更多功率是使用碳化硅用于EV充电站的主要驱动力。目标是使充电站能够在与人在加油站停留的时间相同的时间内为EV充电。这只有通过增加充电站向EV传送的功率来实现。

碳化硅还通过制造更小、更轻的太阳能逆变器，有助于可再生能源市场。利用SiC所能实现的更快的切换频率，太阳能逆变器可以使用更小、更轻的磁性元件。根据功率级别的不同，太阳能逆变器的重量可以小于五十磅。五十磅是由职业安全与健康管理局（OSHA）规定的个人最大举重限制。超过五十磅的举重设备需要两个或更多人，或者使用举升设备。通过创建一个更轻的太阳能逆变器，组织只需要一个人进行安装。这降低了安装成本，对于安装人员和消费者而言更具吸引力。这种优势同样适用于壁式EV充电器。当然，使用碳化硅在太阳能逆变器中还有其他实际好处，例如整体效率提升和系统成本降低。

工业电机驱动也因转换至SiC而受益。碳化硅提供了电机逆变器的效率改进、尺寸缩小和散热增强，从而使电机驱动可以本地安装或安装在电机本身上。这降低了对多个长电缆返回电源柜的需求，而使用Si IGBT的解决方案需要数百英尺昂贵且复杂的电缆。通过SiC解决方案，只需要2条电缆连接至电源柜。这消除了数百英尺昂贵且复杂的电缆，对于七电机伸缩机械臂等示例中使用SiC的解决方案而言，这将大大节省成本。

用碳化硅推动世界向脱碳发展

电动汽车通过直接减少由交通运输产生的二氧化碳排放量，为脱碳做出贡献。电动汽车没有尾气排放，但它们消耗的电力来自二氧化碳排放源。加入这些排放量后，美国能源部平均将电动汽车的年排放量约为2,817磅二氧化碳，而使用汽油的汽车则为12,594磅二氧化碳。这意味着大气中排放的二氧化碳量减少了78%。

电动汽车充电站对脱碳没有直接影响，但如果没有牢固的直流快速充电站基础设施，电动汽车的普及将受到限制。续航焦虑仍然是影响电动汽车普及的重要原因。90%的美国家庭拥有一辆电动汽车，而其它车辆很可能不是电动汽车。这些数据突显出消费者对电动汽车能否满足所有需求，特别是长途旅行的信心不足。

自2009年以来，光伏太阳能发电的成本下降了近90％，使其成为2020年时以37美元/兆瓦时的最低成本能源发电来源。相比之下，煤炭的成本为112美元/兆瓦时，天然气为59美元/兆瓦时。太阳能使世界能够以零二氧化碳排放的方式产生能源，同时成本又是其他能源来源的最低。碳化硅不能完全归功于这种成本降低，但它是太阳能发电成本降低的一个原因。

世界正朝着更多地使用电能发展，因此改进消耗电能设备的效率非常重要。电动机占据了世界电力消耗的40-50％。将这些电动机设计得高效率至关重要，因为即使是小幅度的效率提高，也会因全球大量电动机的使用而得到放大。

碳化硅不仅加速了现有应用领域的脱碳进程，还推动了之前不可行的应用领域。其中一个例子是电动垂直起降（eVTOL）飞行器。就像碳化硅为电动汽车提供了续航里程一样，它也为eVTOL提供了延长的续航里程，使其更具实用性。

碳化硅半导体通过使终端系统更高效、可靠、强大、更小、更轻和整体成本更低，有助于加速这些应用的采用。

来源：三代半导体芯研究

审核编辑：汤梓红