更上一层楼，推进SiC电气化我们的半导体未来将如何提升汽车和其他行业的性能？Cree公司Wolfspeed首席技术官John Palmour

许多电源系统正在从硅（Si）技术向碳化硅（SiC）技术转变。这将是自​​1980世纪XNUMX年代双极型半导体向绝缘栅双极型晶体管（IGBT）转变以来，功率半导体行业经历的最大变革。在这场变革的同时，受其影响的众多行业也正在经历一段不同寻常的全面转型期。从汽车工业到太阳能，碳化硅（SiC）的优势已逐渐显现。在经历巨大变革的同时，各大厂商都在努力将碳化硅（SiC）进一步融入自身技术。

汽车行业是现代工业史无前例变革的典型例子。未来十年，汽车行业将从内燃机时代转向电气化时代。从硅（Si）到碳化硅（SiC）的转变，在帮助电动汽车满足消费者需求方面发挥着重要作用，同时还能满足政府关于气候变化影响的法规要求。碳化硅（SiC）解决方案正在助力电动汽车“更上一层楼”，升级快速充电基础设施、驱动逆变器和电源等应用，并推动电信、航空航天应用领域的进步。

图 1. 实验室中的 Cree 员工

电动汽车机会

随着消费者需求的不断增长以及政府监管的加强，特斯拉、福特和大众等汽车制造商宣布未来十年将在电动汽车领域投资超过300亿美元。分析师预测，到2030年，纯电动汽车（BEV）的数量将达到汽车总量的15%。因此，未来几年，电动汽车用碳化硅（SiC）元件市场将呈指数级增长。

电气化如此重要，制造商再也无法忽视碳化硅 (SiC) 的优势。与传统电动汽车使用的硅 (Si) 技术相比，碳化硅 (SiC) 可以延长电池寿命、提升性能并缩短充电时间。因此，许多供应商已宣布与科锐合作开发电动汽车计划。例如，德尔福科技正在使用碳化硅 (SiC) 半导体开发更高效、更小巧、更轻便的逆变器系统，而采埃孚集团正在开发全电驱动动力系统。ABB 集团正在开发并提供各种采用碳化硅 (SiC) 的电力系统。

效率提升

碳化硅（SiC）的开关损耗远低于硅（Si）基IGBT。此外，碳化硅器件没有内置电压，其导通损耗明显较低。因此，碳化硅（SiC）具有更高的功率密度、更轻的重量和更高的工作频率。在最近的汽车测试中，与硅（Si）相比，Cree的碳化硅（SiC）技术将逆变器损耗降低了约78％。在汽车领域，这些效率改进可应用于动力总成解决方案、电源转换器以及非车载充电器和车载充电器。与传统的硅（Si）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点来增加续航里程或减少笨重且昂贵的电池的使用。

此外，碳化硅（SiC）还可降低冷却要求、节省空间，且重量比硅（Si）基方案更轻。碳化硅（SiC）还可提供对快速充电器的支持，目前充电75分钟即可增加5英里（约XNUMX公里）的续航里程。

碳化硅 (SiC) 解决方案成本的持续下降，使其采用率进一步提升。以汽车为例，我们估计一辆电动汽车中使用的碳化硅 (SiC) 组件的价值约为 250 至 500 美元（取决于其功率需求）。汽车制造商在电池成本、电池和逆变器的体积和重量以及每辆电动汽车的冷却要求方面节省的总成本可高达 2,000 美元。尽管推动从硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的转变的因素有很多，但这一点才是关键。

汽车行业之外

汽车行业的需求约占Cree 9亿美元碳化硅（SiC）市场机会的一半，而太阳能、航空航天和通信基础设施领域则是其他需求的主要驱动力。根据Canaccord Genuity公司最近的预测，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提高电力和空间的利用率。碳化硅（SiC）赋予高频工业电源和不间断电源更高的效率、更高的功率密度和更轻的重量。SiC带来的好处远远超过其自身的成本。

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），其功率密度是硅（Si）的三倍，这使得高压系统更轻、更小、更高效、更具成本效益。这种优异的性能已经达到了爆发点，制造商如果想在当前市场保持竞争力，就不能再对其视而不见。

半导体的未来

成本是碳化硅（SiC）应用的主要障碍。然而，随着产量和经验的不断提升，其成本也在不断下降，因此其制造也变得更加高效和精细。更重要的是，客户已经意识到碳化硅（SiC）的真正价值在于系统层面，而非器件层面的比较。为了满足各行各业的需求，碳化硅（SiC）的制造将得到进一步推广，产量也将持续增加，从而其价格也将持续下降。以科锐（Cree）为榜样，科锐为了满足这些需求进行了大规模的投资，包括在纽约州建设一座采用尖端技术并符合车规标准的工厂，这将使产能提升至30年的2017倍以上。

从硅（Si）到碳化硅（SiC）的转变已不再是是否会发生以及何时会发生的问题。我们已经身处其中。能够充分参与众多行业的巨大变革令人兴奋。这些行业的未来永远不会停滞不前，我们必将持续见证前所未有的变革。而那些能够快速适应这些变化的制造商必将收获丰硕的成果。