SiC 的优点、应用以及加速脱碳

SiC 相比 Si 有什么优势？

从根本上说，碳化硅 (SiC) 被认为是一种宽带隙半导体，与传统的 Si 半导体相比，具有固有的优势。SiC 的这些材料特性可实现更高的：

• 击穿场
• 电子漂移速度
• 导热性

击穿场

更高的击穿场允许器件在给定面积内承受更高的电压。因此，器件设计人员能够在相同芯片尺寸下增加专用于电流的面积，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

电子漂移速度是指由于电场作用，电子在材料中的移动速度。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，器件的开关就越快。提升切换速度后，系统设计人员可获得两大好处。首先，在开关转换期间，功耗更低。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，将其他特性的所有优势结合在一起。导热性是指热量从半导体结传递到外部环境的速度。这意味着 SiC 器件可在高达 200°C 的温度下使用，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，最终降低成本。众所周知，与同等 Si 器件相比，SiC 器件更贵，但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极具优势。MOSFET 和肖特基二极管（分立式和功率模块封装）是利用 SiC 的主要技术。

碳化硅优势的实际应用

碳化硅广泛应用于各种现有应用中，如电动汽车、太阳能逆变器、储能系统和电动汽车充电站。虽然碳化硅为系统设计人员和制造商提供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 (EV)。限制电动汽车广泛普及的主要原因是里程焦虑。通过使用 SiC，电动汽车的行驶里程可延长超过 7%。只需将基于 IGBT 的逆变器改为 SiC 逆变器，就能对里程产生显著影响。好处还不止于此。在电动汽车中采用 SiC 也解决了阻碍电动汽车普及的挑战：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，可使电动汽车的续航里程增加 7%，那就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。电池组尺寸更小，将直接降低电动汽车的总成本。因此，SiC 在电动汽车中的采用非常强劲，也是推动 SiC 制造商实现高额收入预测的原因。

与电动汽车相关的是电动汽车充电站和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 的用武之地，使系统设计人员能够在相同的体积下获得更多的功率，或者保持相同的功率，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。目标是让一辆电动汽车充满电的时间与在加油站加油花费的时间相当。这只能通过增加充电站输送给电动汽车的电量来实现。

碳化硅还可用于制造更小、更轻的太阳能逆变器，为可再生能源市场增添助力。利用 SiC 实现更快的开关频率，让太阳能逆变器可以使用更小、更轻的磁体。根据功率水平的不同，这可以使太阳能逆变器的重量下降到 50 磅以下。美国职业安全与健康管理局 (OSHA) 规定，个人举起的最大重量限制就是 50 磅。超过五十磅的设备举升，需要两个或以上的人员或使用一台起重设备。由于太阳能逆变器的重量减轻，因此组织只需要安排一个人即可完成安装。这降低了安装成本，符合安装人员和消费者的期望。这一优势也适用于街边充电箱电动汽车充电器。当然，在太阳能逆变器中使用 SiC 还有其他实际好处，例如整体效率的提升以及整体系统成本的降低。

工业电机驱动器也可从换用 SiC 中受益。SiC 可为电机逆变器提供更高的效率、更小的尺寸和更强的散热能力，这使得电机驱动器可以放置在局部或电机本身上。这消除了使用 Si IGBT 的解决方案中需要多根长电缆引回到电源柜的需求。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。您可以在此处找到有关此主题的更多信息：SiC MOSFET 与 Si IGBT：SiC MOSFET 的优势

前面的应用示例都受益于 SiC 强大的耐用性和可靠性，这是设计人员考虑使用氮化镓 (GaN) 等其他宽带隙半导体时的一个重要差异因素。

阅读 GaN 与 SiC 之间的差异的更多信息。

利用碳化硅推动世界走向脱碳

上述应用的一个共同特点是，它们都支持脱碳运动。然而，它们以不同的方式实现。

电动汽车通过直接减少因运输而排放的二氧化碳磅数，为脱碳做贡献。它们的尾气排放为零；然而，它们会消耗由 CO2 排放源产生的电力。包括这些排放物在内，美国能源部计算的电动汽车的平均二氧化碳年排放量为 2,817 磅，而使用汽油的汽车为 12,594 磅。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，但是如果没有强大的直流快速充电站基础设施，电动汽车的采用将会受到限制。里程焦虑仍然是电动汽车采用率不高的一大原因。90% 拥有电动汽车的美国家庭还拥有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 年成本为 37 美元/兆瓦时。相比之下，煤炭成本为 112 美元/兆瓦时，天然气成本为 59 美元/兆瓦时。利用太阳能，世界能够以二氧化碳零排放的方式生产能源，同时以其他能源的最低成本进行生产。虽然这种成本降低不能完全归功于 SiC，但这是太阳能发电成本下降的一个原因。

世界正朝着使用更多电能的方向发展，因此不断提高耗电设备的效率非常重要。电动机占全球电力消耗的 40-50%。打造高效的电动机至关重要，因为即使是小小的效率提升，也会凭借电动机的庞大数量而扩增。

SiC 不仅有助于加速现有应用中的脱碳工作，还能使以前不可行的应用成为可能。其中一个例子就是电动垂直起降飞机 (eVTOL)。正如 SiC 能让电动汽车延长里程一样，eVTOL 也能延长里程，变得更加实用。

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

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为获得 SiC 的所有优势，有必要重新评估整个设计，要求系统设计人员选择新的栅极驱动器、电流传感器、电容、磁性元件、连接器甚至控制器。有鉴于此，Wolfspeed 和 Arrow Electronics 合作开发了 Wolfspeed SpeedVal Kit™，这是一款用于 SiC 的模块化评估平台。利用该平台，系统设计人员可在即插即用环境中结合各种栅极驱动器和控制器快速评估不同的 SiC 器件。

与 Si 技术相比，SiC 具有明显的优势，可以加速世界向脱碳方向发展。Arrow Electronics 凭借其高功率专业知识和领先的供应商组合，在帮助加速 SiC 采用和脱碳运动方面具有独特的优势。

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