今天大多數半導體是由硅（Si）基底材料制成的，但是近年來，一種相對較新的半導體基底材料成為頭條新聞。這種材料是碳化硅，也稱為SiC。今天，MOSFETs和肖特基二極管是利用SiC的主要半導體技術。

　　SIC比SI有什么優勢？

　　從根本上說，碳化硅（SiC）被認為是寬帶隙半導體，與傳統的硅半導體相比具有其固有的優勢。SiC的這些材料特性導致更高的：

　　擊穿場

　　更高的擊穿電場允許器件在給定的面積上承受更高的電壓。這使得器件設計者能夠增加相同管芯尺寸的電流面積，從而降低給定面積的器件電阻Rsp。器件電阻與傳導功率損耗直接相關，因此Rsp越小，損耗越低，效率越高。

　　電子漂移速度

　　電子漂移速度是指電場作用下電子在材料中的移動速度。在SiC半導體的情況下，電子漂移速度是Si基半導體的兩倍。電子移動得越快，設備開關就越快。系統設計人員從這種更快的切換中獲得了兩個好處。首先，在開關轉換期間降低功耗。其次，更高的開關頻率允許使用更小的磁體和電容。

　　導熱性

　　SiC的導熱性大約是Si的三倍，并且將其他特性的所有優點結合在一起。導熱率是指熱量從半導體結傳遞到外部環境的速度。這意味著SiC器件可以在高達200°C的溫度下工作，而Si的典型工作溫度限制為150°C。

　　結合這三大優勢，系統設計師可以設計出更高效的產品，同時使產品更小、更輕，最終成本更低。眾所周知，與同等硅器件相比，碳化硅器件更貴，但如果加上使用更小的無源元件和更少的熱管理帶來的成本降低，整體系統成本可降低20%。碳化硅的材料特性使其在要求高電壓、高電流、高溫、高導熱性和較輕總重量的高功率應用中非常有利。金屬氧化物半導體場效應晶體管和肖特基二極管（在分立和功率模塊封裝中）是利用SiC的主要技術。

　　圖一。硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的特性比較

　　碳化硅優勢的實際應用

　　碳化硅正在被廣泛采用各種現有應用如電動汽車、太陽能逆變器、儲能系統和電動汽車充電站。它為系統設計者和制造商提供了多種優勢來推動這一變革，但這些優勢如何轉化為終端產品消費者的利益呢？

　　首先，我們來看看電動汽車。限制廣泛采用的主要原因是范圍焦慮。使用碳化硅，電動汽車的行駛里程可以延長10倍以上7%。通過簡單地從基于IGBT的逆變器切換到SiC逆變器，這對范圍具有顯著的影響。好處不止于此。將SiC用于電動汽車也解決了電動汽車采用的挑戰：成本。電動汽車中使用的電池是電動汽車中最昂貴的部分。如果使用SiC使電動汽車的續航里程增加了7%，它還可以使電池尺寸減少7%，同時保持與非SiC基線相當的續航里程。更小的電池組將直接降低電動汽車的總成本。這就是為什么SiC在電動汽車中的采用如此強勁，也是推動SiC制造商大規模收入預測的原因。

　　與電動汽車相關的是電動汽車充電站和這種充電基礎設施的建設。對于電動汽車充電站，一個主要的考慮因素是功率密度。這就是SiC的貢獻所在，使系統設計人員能夠在相同的體積內獲得更多的功率，或者保持功率不變，而體積減少300%。在相同的體積下獲得更多的功率是將SiC用于電動汽車充電站的主要驅動力。目標是能夠在一個人在加油站花費的相同時間內為一輛電動汽車充電。這只能通過增加充電站輸送給電動汽車的電量來實現。

　　碳化硅還通過制造更小更輕的太陽能逆變器來幫助可再生能源市場。利用碳化硅實現的更快的開關頻率，太陽能逆變器可以使用更小更輕的磁體。根據功率水平，這可以使太陽能逆變器不到50磅。職業安全與健康管理局規定，一個人舉起的最大重量是50磅。超過五十磅的起重設備需要兩個或更多的人或一臺起重設備。通過創造一個更輕的太陽能逆變器，一個組織只需要一個人來安裝。這降低了安裝成本，使其成為安裝者和消費者所期望的。這一優勢也適用于wallbox電動汽車充電器。當然，在太陽能逆變器中使用SiC還有其他實際好處，例如整體效率提高和整體系統成本降低。

　　工業電機驅動也受益于轉換到SiC。SiC為電機逆變器提供了更高的效率、更小的尺寸和更高的散熱能力，這使得電機驅動器可以放置在本地或電機本身上。對于使用Si IGBTs的解決方案，這減少了將多根長電纜引回到電源柜的需要。相反，SiC解決方案只需要2根電纜連接到電源柜。這消除了圖2中七電機關節機械臂示例所需的數百英尺昂貴而復雜的布線。您可以在此找到關于此主題的更多信息：碳化硅MOSFET與硅IGBT：碳化硅MOSFET的優勢。

　　圖二。機器人臂的硅IGBT與碳化硅MOSFET系統控制的比較。

　　前面的應用示例都受益于SiC的強大耐用性和可靠性，這是設計人員考慮使用其他寬帶隙半導體，例如氮化鎵（GaN）。

　　用碳化硅推動世界去碳化

　　上述應用程序的一個共同特點是它們都支持向脫碳方向發展。然而，它們以不同的方式這樣做。

　　電動汽車通過直接減少運輸過程中排放的二氧化碳的磅數，有助于脫碳。它們的尾氣排放為零；然而，它們消耗由CO2排放源產生的電力。包括這些排放美國能源部一輛電動汽車平均每年排放2，817磅二氧化碳，而使用汽油的汽車每年排放12，594磅二氧化碳。這意味著排放到大氣中的二氧化碳減少了78%。

　　電動汽車充電站對脫碳沒有直接影響，但如果沒有DC快速充電站的強大基礎設施，電動汽車的采用將受到限制。牧場焦慮仍然是電動汽車采用率低的一大原因。百分之九十擁有電動汽車的美國家庭中，有80%擁有另一輛不太可能是電動汽車的汽車。這些統計數據突出表明，消費者不相信他們的電動汽車能夠滿足他們的所有需求，特別是長途旅行。

　　自2009年以來，光伏（PV）太陽能發電的成本下降了近90%，使其成為成本最低的能源發電來源，截至2020年為37美元/兆瓦時。相比之下，煤炭價格為112美元/兆瓦時，天然氣價格為59美元/兆瓦時。太陽能讓世界產生二氧化碳零排放的能源，同時以其他能源的最低成本生產。SiC不能完全歸功于這種成本降低，但這是太陽能發電成本降低的一個原因。

　　世界正朝著使用更多電能的方向發展，因此不斷提高消耗電能的設備的效率非常重要。電動機占世界電力消耗的40-50%。使這些電動機高效至關重要，因為小的效率增益被世界上大量的這些電動機放大。

　　SiC不僅有助于加速現有應用中的去碳化，還支持以前不可行的應用。這方面的一個例子是電動垂直起飛和著陸，電動垂直起降，飛機。正如SiC允許電動汽車的擴展范圍一樣，它也為電動汽車提供了擴展范圍，使它們更加實用。

　　SiC半導體有助于加快這些終端系統的采用，使它們更高效、可靠、耐用、更小、更輕，并且整體成本更低。

　　審核編輯：黃飛