SIC比SI有什么优势？碳化硅优势的实际应用

　　今天大多数半导体是由硅（Si）基底材料制成的，但是近年来，一种相对较新的半导体基底材料成为头条新闻。这种材料是碳化硅，也称为SiC。今天，MOSFETs和肖特基二极管是利用SiC的主要半导体技术。

　　SIC比SI有什么优势？

　　从根本上说，碳化硅（SiC）被认为是宽带隙半导体，与传统的硅半导体相比具有其固有的优势。SiC的这些材料特性导致更高的：

　　击穿场

　　更高的击穿电场允许器件在给定的面积上承受更高的电压。这使得器件设计者能够增加相同管芯尺寸的电流面积，从而降低给定面积的器件电阻Rsp。器件电阻与传导功率损耗直接相关，因此Rsp越小，损耗越低，效率越高。

　　电子漂移速度

　　电子漂移速度是指电场作用下电子在材料中的移动速度。在SiC半导体的情况下，电子漂移速度是Si基半导体的两倍。电子移动得越快，设备开关就越快。系统设计人员从这种更快的切换中获得了两个好处。首先，在开关转换期间降低功耗。其次，更高的开关频率允许使用更小的磁体和电容。

　　导热性

　　SiC的导热性大约是Si的三倍，并且将其他特性的所有优点结合在一起。导热率是指热量从半导体结传递到外部环境的速度。这意味着SiC器件可以在高达200°C的温度下工作，而Si的典型工作温度限制为150°C。

　　结合这三大优势，系统设计师可以设计出更高效的产品，同时使产品更小、更轻，最终成本更低。众所周知，与同等硅器件相比，碳化硅器件更贵，但如果加上使用更小的无源元件和更少的热管理带来的成本降低，整体系统成本可降低20%。碳化硅的材料特性使其在要求高电压、高电流、高温、高导热性和较轻总重量的高功率应用中非常有利。金属氧化物半导体场效应晶体管和肖特基二极管（在分立和功率模块封装中）是利用SiC的主要技术。

　　

　　图一。硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的特性比较

　　碳化硅优势的实际应用

　　碳化硅正在被广泛采用各种现有应用如电动汽车、太阳能逆变器、储能系统和电动汽车充电站。它为系统设计者和制造商提供了多种优势来推动这一变革，但这些优势如何转化为终端产品消费者的利益呢？

　　首先，我们来看看电动汽车。限制广泛采用的主要原因是范围焦虑。使用碳化硅，电动汽车的行驶里程可以延长10倍以上7%。通过简单地从基于IGBT的逆变器切换到SiC逆变器，这对范围具有显著的影响。好处不止于此。将SiC用于电动汽车也解决了电动汽车采用的挑战：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增加了7%，它还可以使电池尺寸减少7%，同时保持与非SiC基线相当的续航里程。更小的电池组将直接降低电动汽车的总成本。这就是为什么SiC在电动汽车中的采用如此强劲，也是推动SiC制造商大规模收入预测的原因。

　　与电动汽车相关的是电动汽车充电站和这种充电基础设施的建设。对于电动汽车充电站，一个主要的考虑因素是功率密度。这就是SiC的贡献所在，使系统设计人员能够在相同的体积内获得更多的功率，或者保持功率不变，而体积减少300%。在相同的体积下获得更多的功率是将SiC用于电动汽车充电站的主要驱动力。目标是能够在一个人在加油站花费的相同时间内为一辆电动汽车充电。这只能通过增加充电站输送给电动汽车的电量来实现。

　　碳化硅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。利用碳化硅实现的更快的开关频率，太阳能逆变器可以使用更小更轻的磁体。根据功率水平，这可以使太阳能逆变器不到50磅。职业安全与健康管理局规定，一个人举起的最大重量是50磅。超过五十磅的起重设备需要两个或更多的人或一台起重设备。通过创造一个更轻的太阳能逆变器，一个组织只需要一个人来安装。这降低了安装成本，使其成为安装者和消费者所期望的。这一优势也适用于wallbox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，例如整体效率提高和整体系统成本降低。

　　工业电机驱动也受益于转换到SiC。SiC为电机逆变器提供了更高的效率、更小的尺寸和更高的散热能力，这使得电机驱动器可以放置在本地或电机本身上。对于使用Si IGBTs的解决方案，这减少了将多根长电缆引回到电源柜的需要。相反，SiC解决方案只需要2根电缆连接到电源柜。这消除了图2中七电机关节机械臂示例所需的数百英尺昂贵而复杂的布线。您可以在此找到关于此主题的更多信息：碳化硅MOSFET与硅IGBT：碳化硅MOSFET的优势。

　　图二。机器人臂的硅IGBT与碳化硅MOSFET系统控制的比较。

　　前面的应用示例都受益于SiC的强大耐用性和可靠性，这是设计人员考虑使用其他宽带隙半导体，例如氮化镓（GaN）。

　　用碳化硅推动世界去碳化

　　上述应用程序的一个共同特点是它们都支持向脱碳方向发展。然而，它们以不同的方式这样做。

　　电动汽车通过直接减少运输过程中排放的二氧化碳的磅数，有助于脱碳。它们的尾气排放为零；然而，它们消耗由CO2排放源产生的电力。包括这些排放美国能源部一辆电动汽车平均每年排放2，817磅二氧化碳，而使用汽油的汽车每年排放12，594磅二氧化碳。这意味着排放到大气中的二氧化碳减少了78%。

　　电动汽车充电站对脱碳没有直接影响，但如果没有DC快速充电站的强大基础设施，电动汽车的采用将受到限制。牧场焦虑仍然是电动汽车采用率低的一大原因。百分之九十拥有电动汽车的美国家庭中，有80%拥有另一辆不太可能是电动汽车的汽车。这些统计数据突出表明，消费者不相信他们的电动汽车能够满足他们的所有需求，特别是长途旅行。

　　自2009年以来，光伏（PV）太阳能发电的成本下降了近90%，使其成为成本最低的能源发电来源，截至2020年为37美元/兆瓦时。相比之下，煤炭价格为112美元/兆瓦时，天然气价格为59美元/兆瓦时。太阳能让世界产生二氧化碳零排放的能源，同时以其他能源的最低成本生产。SiC不能完全归功于这种成本降低，但这是太阳能发电成本降低的一个原因。

　　世界正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。电动机占世界电力消耗的40-50%。使这些电动机高效至关重要，因为小的效率增益被世界上大量的这些电动机放大。

　　SiC不仅有助于加速现有应用中的去碳化，还支持以前不可行的应用。这方面的一个例子是电动垂直起飞和着陆，电动垂直起降，飞机。正如SiC允许电动汽车的扩展范围一样，它也为电动汽车提供了扩展范围，使它们更加实用。

　　SiC半导体有助于加快这些终端系统的采用，使它们更高效、可靠、耐用、更小、更轻，并且整体成本更低。

　　审核编辑：黄飞