SiC优势、应用及加速向脱碳方向发展

如今,大多数半导体都是以硅(Si)为基材料,但近年来,一个相对新的半导体基材料正成为头条新闻。这种材料就是碳化硅,也称为SiC。目前,SiC主要应用于MOSFET和肖特基二极管等半导体技术。

SiC相较于Si的优势是什么?

在根本上,碳化硅(SiC)被视为宽禁带半导体,相较于传统的Si半导体,具有固有的优势。SiC的材料特性导致了以下较高的优点:

1. 突破场
2. 电子漂移速度
3. 热导率

突破场

更高的突破场使得器件能够承受更高的电压,同时保持相同的面积。这使得器件设计者可以增加用于电流流动的面积,从而降低单位面积的电阻,即Rsp。器件的电阻直接影响导电损耗,因此更小的Rsp将导致更低的损耗,从而提高效率。

电子漂移速度

电子漂移速度指电子在电场作用下在材料中移动的速度。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,器件切换的速度就越快。由此快速切换带来两个好处:一是在开关过程中的功率损耗较低,二是更高的切换频率允许使用更小的磁性元件和电容器。

热导率

SiC的热导率大约是Si的三倍,它将其他特性的优点相互联系在一起。热导率决定了热量从半导体结到外部环境的传递速度。这意味着SiC器件可以在高达200°C的温度下运行,而Si通常限制在150°C。

结合这三个优势,系统设计者可以设计出更高效的产品,同时使其更小、更轻,最终降低成本。尽管众所周知SiC器件相较于Si等效器件更昂贵,但使用更小的被动元件和较少的热管理可以降低整体系统成本约20%。碳化硅的材料特性使其在高功率应用中非常有优势,特别是需要高电压、高电流、高温度和高热导率以及整体重量较小的领域。MOSFET和肖特基二极管(在离散和功率模块封装中)是主要应用SiC的技术。

碳化硅的实际应用优势

碳化硅正在被广泛应用于多个领域,例如电动汽车、太阳能逆变器、能量储存系统和电动汽车充电站。它为系统设计者和制造商带来了多重优势,那么这些优势又如何转化为最终产品的消费者的好处呢?

首先,让我们来看看电动汽车(EV)。限制广泛采用EV的主要原因是续航焦虑。通过使用碳化硅,EV的续航里程可以增加超过7%。仅仅通过从IGBT逆变器转换为SiC逆变器,就可以对续航里程产生显著影响。优势并未止于此。SiC的应用还解决了EV采用的挑战:成本。EV中最昂贵的部分是电池。如果使用SiC使EV的续航里程增加7%,同时保持续航里程与非SiC基准相当,还可以使电池容量减少7%。更小的电池组将直接导致EV的总体成本降低。这就是为什么SiC在EV中应用如此强大,并且正推动SiC制造商的大额收入预测。

与EV相关的还有EV充电站及其充电基础设施的建设。在EV充电站的情况下,一个主要考虑因素是功率密度。在这方面,碳化硅起到了作用,使系统设计者能够在相同体积内传输更多功率,或者保持功率不变,同时将体积减少300%。在相同体积内提供更多功率是使用碳化硅用于EV充电站的主要驱动力。目标是使充电站能够在与人在加油站停留的时间相同的时间内为EV充电。这只有通过增加充电站向EV传送的功率来实现。

碳化硅还通过制造更小、更轻的太阳能逆变器,有助于可再生能源市场。利用SiC所能实现的更快的切换频率,太阳能逆变器可以使用更小、更轻的磁性元件。根据功率级别的不同,太阳能逆变器的重量可以小于五十磅。五十磅是由职业安全与健康管理局(OSHA)规定的个人最大举重限制。超过五十磅的举重设备需要两个或更多人,或者使用举升设备。通过创建一个更轻的太阳能逆变器,组织只需要一个人进行安装。这降低了安装成本,对于安装人员和消费者而言更具吸引力。这种优势同样适用于壁式EV充电器。当然,使用碳化硅在太阳能逆变器中还有其他实际好处,例如整体效率提升和系统成本降低。

工业电机驱动也因转换至SiC而受益。碳化硅提供了电机逆变器的效率改进、尺寸缩小和散热增强,从而使电机驱动可以本地安装或安装在电机本身上。这降低了对多个长电缆返回电源柜的需求,而使用Si IGBT的解决方案需要数百英尺昂贵且复杂的电缆。通过SiC解决方案,只需要2条电缆连接至电源柜。这消除了数百英尺昂贵且复杂的电缆,对于七电机伸缩机械臂等示例中使用SiC的解决方案而言,这将大大节省成本。

用碳化硅推动世界向脱碳发展

电动汽车通过直接减少由交通运输产生的二氧化碳排放量,为脱碳做出贡献。电动汽车没有尾气排放,但它们消耗的电力来自二氧化碳排放源。加入这些排放量后,美国能源部平均将电动汽车的年排放量约为2,817磅二氧化碳,而使用汽油的汽车则为12,594磅二氧化碳。这意味着大气中排放的二氧化碳量减少了78%。

电动汽车充电站对脱碳没有直接影响,但如果没有牢固的直流快速充电站基础设施,电动汽车的普及将受到限制。续航焦虑仍然是影响电动汽车普及的重要原因。90%的美国家庭拥有一辆电动汽车,而其它车辆很可能不是电动汽车。这些数据突显出消费者对电动汽车能否满足所有需求,特别是长途旅行的信心不足。

自2009年以来,光伏太阳能发电的成本下降了近90%,使其成为2020年时以37美元/兆瓦时的最低成本能源发电来源。相比之下,煤炭的成本为112美元/兆瓦时,天然气为59美元/兆瓦时。太阳能使世界能够以零二氧化碳排放的方式产生能源,同时成本又是其他能源来源的最低。碳化硅不能完全归功于这种成本降低,但它是太阳能发电成本降低的一个原因。

世界正朝着更多地使用电能发展,因此改进消耗电能设备的效率非常重要。电动机占据了世界电力消耗的40-50%。将这些电动机设计得高效率至关重要,因为即使是小幅度的效率提高,也会因全球大量电动机的使用而得到放大。

碳化硅不仅加速了现有应用领域的脱碳进程,还推动了之前不可行的应用领域。其中一个例子是电动垂直起降(eVTOL)飞行器。就像碳化硅为电动汽车提供了续航里程一样,它也为eVTOL提供了延长的续航里程,使其更具实用性。

碳化硅半导体通过使终端系统更高效、可靠、强大、更小、更轻和整体成本更低,有助于加速这些应用的采用。

本文转载自:Arrow Solution微信公众号

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