SiC推進電動化更上一層樓

未來的半導體將如何提升汽車和其他產業的性能

Cree 公司 Wolfspeed 首席技術官 John Palmour

眾多電源系統正在從硅 (Si) 技術向碳化硅 (SiC) 技術轉變。這將是自 20 世紀 80 年代雙極型半導體向絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 轉變以來，功率半導體行業經歷的[敏感詞]變革。這種轉變發生的同時，許多受其影響的產業也正在經歷著不同尋常的全面變革時期。從汽車行業到太陽能，碳化硅 (SiC) 的優勢已經變得不可忽視。在經歷巨大變革的同時，所有主要廠商都在努力將碳化硅 (SiC) 進一步集成到自身技術之中。

汽車產業是現代工業經歷前所未有變化的一個典型例子。在未來十年，汽車產業將從內燃機向電動化轉變。硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉變，在助力電動汽車滿足消費者需求的效率方面發揮著重大作用，同時還可符合針對氣候變化影響的政府法規。碳化硅 (SiC) 解決方案正在幫助電動汽車“更上一層樓”，提升快速充電基礎設施、驅動逆變器和電源等應用，并促進電信、[敏感詞]和航空航天等應用取得進步。

圖1. 實驗室中的 Cree 員工

電動汽車機遇

隨著消費者需求的不斷增長和政府法規的加強，特斯拉 (Tesla)、福特 (Ford) 和大眾 (Volkswagen) 等汽車制造商宣布，未來十年將在電動汽車領域投資超過 3,000 億美元。分析師預計，到 2030 年，純電動汽車 (BEV) 數量將達到汽車總量的 15%。因此，未來幾年，用于電動汽車的碳化硅 (SiC) 元器件市場將呈指數級增長。

電動化如此受到重視，使得制造商們無法再對碳化硅 (SiC) 的優勢視而不見。與傳統電動汽車采用的硅 (Si) 技術相比，碳化硅 (SiC) 可提高電池續航里程、改善其性能并縮短充電時間。因此，許多供應商都宣布與 Cree 合作開展電動汽車計劃。例如，德爾福科技 (Delphi Technologies) 正在利用碳化硅 (SiC) 半導體開發更高效、更小型、更輕量的逆變器系統，而采埃孚集團 (ZF Group) 則正在開發全電驅動動力總成。ABB 集團正在開發和提供各種采用碳化硅 (SiC) 的功率系統。

效率提升

碳化硅 (SiC) 的開關損耗比硅 (Si) 基 IGBT 低得多。此外，碳化硅器件沒有內建電壓，其導通損耗也明顯較低。因此，碳化硅 (SiC) 的功率密度更高、重量更輕且工作頻率更高。在最近的一次汽車測試中，與硅 (Si) 相比，Cree 的碳化硅 (SiC) 技術將逆變器損耗降低了約 78%。

在汽車領域，這些效率提升可用于動力總成解決方案、功率轉換器以及非車載充電機和車載充電機。與傳統的硅 (Si) 基解決方案相比，碳化硅 (SiC) 可使電動汽車的整體效率提高 5% 至 10%。制造商可以借助這一點來提升續航里程，或減少使用笨重且昂貴的電池。此外，碳化硅 (SiC) 還可降低冷卻要求、節省空間，重量也比硅 (Si) 基方案輕。碳化硅 (SiC) 還可為快速充電機提供支持，目前充電 5 分鐘可提高續航 75 英里。

碳化硅 (SiC) 解決方案成本的持續下降帶來其采用率的進一步提高。以汽車為例，我們估計，一輛電動汽車所采用碳化硅 (SiC) 元器件的價值約為 250 美元至 500 美元（取決于其功率要求）。而汽車制造商在每輛電動汽車的電池成本、電池和逆變器的體積與重量，以及冷卻要求方面所節省的總成本可高達 2,000 美元。雖然還有許多因素在推動著從硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉變，但這一點是關鍵。

汽車產業之外

汽車產業的需求大約占據了 Cree 90億美元碳化硅 (SiC) 機會的一半，而太陽能、航空航天、[敏感詞]以及通信基礎設施等領域則是其他需求的主要驅動力。根據 Canaccord Genuity 公司近期預估，到 2030 年，對于碳化硅 (SiC) 的需求將超過 200 億美元。

圖2. Cree 650V MOSFET

碳化硅 (SiC) 功率器件還能夠幫助工業和能源企業[敏感詞]限度地提高用電利用率和空間利用率。碳化硅 (SiC) 賦予高頻工業電源和不間斷電源更高的效率、更高的功率密度和更輕的重量，碳化硅 (SiC) 所帶來的效益遠遠超過了其自身的成本。在這些領域，更高的效率就意味著更高的利潤。

在電力電子領域，碳化硅 (SiC) 的效率遠高于硅 (Si)，功率密度是硅 (Si) 的三倍，使得高電壓系統更輕量、更小型、更高效、更具成本優勢。這一卓越性能已經達到了爆發點，制造商若想在當前市場中保持競爭力，便不可再對其視而不見。

半導體的未來

成本是之前制約碳化硅 (SiC) 采用的主要障礙。但伴隨著產量和經驗的不斷增進，其成本也在持續下降。因此其制造也變得更加高效和精煉。更重要的是，客戶逐漸意識到碳化硅 (SiC) 的真正價值在于系統層面，而非器件級別的比較。為了滿足各個產業的需求，碳化硅 (SiC) 制造將進一步提升，產量將不斷增長，從而其價格也將繼續下降。以 Cree 作為一個參考，Cree 為了滿足這些需求，開展了大規模的投資，包括在紐約州建造采用領先前沿技術且滿足車規級標準的工廠，將使得產能提升至 2017 年的 30 倍以上。

從硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉變，已經不再是會否發生與何時發生的問題，我們已經身處其中。全面地參與到諸多產業的巨大變革之中，令人激動不已。這些產業的未來[敏感詞]不會是一成不變的，我們一定會繼續看到前所未有的變化。而那些能夠快速適應這些變化的制造商，則定將收獲豐碩的成果。

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