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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最大變革。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、軍事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、國防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最大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。這些產業的未來絕對不會是一成不變的，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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