Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

许多电力系统正从硅（Si）技术过渡到碳化硅（SiC）技术。这将是自​​20世纪80年代从双极型半导体过渡到绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以来，功率半导体行业经历的最大变革。这一转变正值许多受影响行业经历着非同寻常的剧变之际。从汽车行业到太阳能行业，碳化硅（SiC）的优势已不容忽视。在经历重大变革的同时，所有主要厂商都在努力将碳化硅（SiC）进一步集成到各自的技术中。

汽车行业是现代产业经历前所未有的变革的典型例证。未来十年，汽车行业将从内燃机转向电气化。硅（Si）向碳化硅（SiC）的转化在提升电动汽车效率方面发挥着重要作用，既能满足消费者需求，又能符合政府应对气候变化影响的法规。碳化硅（SiC）解决方案正助力电动汽车“迈向新阶段”，改进快速充电基础设施、驱动逆变器和电源等应用，并推动电信、军事和航空航天等领域的进步。

图 1. Cree 公司员工在实验室

电动汽车机遇

随着消费者需求持续增长和政府监管日趋严格，包括特斯拉、福特和大众在内的多家汽车制造商已宣布计划在未来十年投资超过300亿美元用于电动汽车领域。分析师预测，到2030年，纯电动汽车（BEV）将占汽车保有量的15%。因此，未来几年电动汽车用碳化硅（SiC）组件的市场将呈指数级增长。

随着电气化进程的不断推进，制造商们再也不能忽视碳化硅（SiC）的优势。与传统电动汽车中使用的硅（Si）技术相比，碳化硅（SiC）能够提升电池续航里程、改善电池性能并缩短充电时间。因此，许多供应商都宣布了与科锐（Cree）合作的电动汽车项目。例如，德尔福科技（Delphi Technologies）正在开发采用碳化硅（SiC）半导体的更高效、更小巧、更轻便的逆变器系统；采埃孚集团（ZF Group）则在开发全电动动力总成；ABB集团也在开发和供应基于碳化硅（SiC）的各种电力系统。

效率提升

碳化硅 (SiC) 的开关损耗远低于硅 (Si) 基 IGBT。此外，碳化硅器件没有内建电压，其导通损耗也显著降低。因此，碳化硅 (SiC) 具有更高的功率密度、更轻的重量以及更高的工作频率。在最近的一项汽车测试中，科锐 (Cree) 的碳化硅 (SiC) 技术与硅 (Si) 相比，将逆变器损耗降低了约 78%。

在汽车领域，这些效率提升可应用于动力总成解决方案、电源转换器以及车载和车外充电器。与传统的硅基解决方案相比，碳化硅 (SiC) 可将电动汽车的整体效率提高 5% 至 10%。制造商可以利用这一优势来增加续航里程或减少对笨重且昂贵的电池的需求。此外，碳化硅 (SiC) 还降低了冷却需求，节省了空间，并且比硅基解决方案更轻。碳化硅 (SiC) 也可用于快速充电器，目前快速充电器只需 5 分钟即可增加 75 英里的续航里程。

碳化硅 (SiC) 解决方案成本的持续下降推动了其应用范围的进一步扩大。以汽车为例，我们估计电动汽车中使用的碳化硅 (SiC) 组件价值约为 250 至 500 美元（具体取决于其功率需求）。汽车制造商在电池成本、电池和逆变器尺寸及重量以及冷却需求方面的总节省额，每辆电动汽车可高达 2,000 美元。虽然推动从硅 (Si) 向碳化硅 (SiC) 过渡的因素有很多，但这一点至关重要。

汽车行业之外

汽车行业的需求约占科锐公司9亿美元碳化硅（SiC）市场需求的一半，而太阳能、航空航天与国防以及通信基础设施也是其他主要需求驱动因素。根据Canaccord Genuity的最新估计，到2030年，碳化硅（SiC）的需求将超过20亿美元。

图2. Cree 650V MOSFET

碳化硅 (SiC) 功率器件还能帮助工业和能源企业最大限度地利用电力和空间。碳化硅 (SiC) 使高频工业电源和不间断电源 (UPS) 具有更高的效率、更高的功率密度和更轻的重量，其优势远远超过自身成本。在这些领域，更高的效率意味着更高的利润。

在电力电子领域，碳化硅（SiC）的效率远高于硅（Si），功率密度更是硅的三倍，这使得高压系统更轻、更小、更高效、更经济。这种卓越的性能已达到临界点，制造商若想在当前市场保持竞争力，就不能再对此视而不见。

半导体的未来

成本曾是碳化硅（SiC）应用的主要障碍。但随着产量和经验的不断积累，其成本持续下降。因此，碳化硅的制造工艺也变得更加高效和精细。此外，客户逐渐意识到，碳化硅的真正价值体现在系统层面，而非器件层面。为了满足各行各业的需求，碳化硅的制造工艺将进一步改进，产量将持续增长，价格也将持续下降。以科锐（Cree）为例，科锐已进行大规模投资以满足这些需求，包括在纽约州建设一座采用尖端技术并符合汽车级标准的工厂，这将使产能提升至2017年的30倍以上。

从硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的过渡已不再是是否会发生或何时发生的问题，我们已经身处其中。能够全面参与众多行业发生的巨大变革令人振奋。这些行业的未来绝非一成不变，我们必将持续见证前所未有的变革。而那些能够迅速适应这些变革的制造商必将收获丰硕的成果。

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