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SiC優(yōu)勢、應(yīng)用及加速向脫碳方向發(fā)展

發(fā)布時間:2023-09-24 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】如今,大多數(shù)半導(dǎo)體都是以硅(Si)為基材料,但近年來,一個相對新的半導(dǎo)體基材料正成為頭條新聞。這種材料就是碳化硅,也稱為SiC。目前,SiC主要應(yīng)用于MOSFET和肖特基二極管等半導(dǎo)體技術(shù)。


如今,大多數(shù)半導(dǎo)體都是以硅(Si)為基材料,但近年來,一個相對新的半導(dǎo)體基材料正成為頭條新聞。這種材料就是碳化硅,也稱為SiC。目前,SiC主要應(yīng)用于MOSFET和肖特基二極管等半導(dǎo)體技術(shù)。


SiC相較于Si的優(yōu)勢是什么?


在根本上,碳化硅(SiC)被視為寬禁帶半導(dǎo)體,相較于傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體,具有固有的優(yōu)勢。SiC的材料特性導(dǎo)致了以下較高的優(yōu)點:

1. 突破場
2. 電子漂移速度
3. 熱導(dǎo)率


突破場


更高的突破場使得器件能夠承受更高的電壓,同時保持相同的面積。這使得器件設(shè)計者可以增加用于電流流動的面積,從而降低單位面積的電阻,即Rsp。器件的電阻直接影響導(dǎo)電損耗,因此更小的Rsp將導(dǎo)致更低的損耗,從而提高效率。


電子漂移速度


電子漂移速度指電子在電場作用下在材料中移動的速度。在SiC半導(dǎo)體中,電子漂移速度是Si基半導(dǎo)體的兩倍。電子移動得越快,器件切換的速度就越快。由此快速切換帶來兩個好處:一是在開關(guān)過程中的功率損耗較低,二是更高的切換頻率允許使用更小的磁性元件和電容器。


熱導(dǎo)率


SiC的熱導(dǎo)率大約是Si的三倍,它將其他特性的優(yōu)點相互聯(lián)系在一起。熱導(dǎo)率決定了熱量從半導(dǎo)體結(jié)到外部環(huán)境的傳遞速度。這意味著SiC器件可以在高達200°C的溫度下運行,而Si通常限制在150°C。


結(jié)合這三個優(yōu)勢,系統(tǒng)設(shè)計者可以設(shè)計出更高效的產(chǎn)品,同時使其更小、更輕,最終降低成本。盡管眾所周知SiC器件相較于Si等效器件更昂貴,但使用更小的被動元件和較少的熱管理可以降低整體系統(tǒng)成本約20%。碳化硅的材料特性使其在高功率應(yīng)用中非常有優(yōu)勢,特別是需要高電壓、高電流、高溫度和高熱導(dǎo)率以及整體重量較小的領(lǐng)域。MOSFET和肖特基二極管(在離散和功率模塊封裝中)是主要應(yīng)用SiC的技術(shù)。



SiC優(yōu)勢、應(yīng)用及加速向脫碳方向發(fā)展


碳化硅的實際應(yīng)用優(yōu)勢


碳化硅正在被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域,例如電動汽車、太陽能逆變器、能量儲存系統(tǒng)和電動汽車充電站。它為系統(tǒng)設(shè)計者和制造商帶來了多重優(yōu)勢,那么這些優(yōu)勢又如何轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的消費者的好處呢?


首先,讓我們來看看電動汽車(EV)。限制廣泛采用EV的主要原因是續(xù)航焦慮。通過使用碳化硅,EV的續(xù)航里程可以增加超過7%。僅僅通過從IGBT逆變器轉(zhuǎn)換為SiC逆變器,就可以對續(xù)航里程產(chǎn)生顯著影響。優(yōu)勢并未止于此。SiC的應(yīng)用還解決了EV采用的挑戰(zhàn):成本。EV中最昂貴的部分是電池。如果使用SiC使EV的續(xù)航里程增加7%,同時保持續(xù)航里程與非SiC基準(zhǔn)相當(dāng),還可以使電池容量減少7%。更小的電池組將直接導(dǎo)致EV的總體成本降低。這就是為什么SiC在EV中應(yīng)用如此強大,并且正推動SiC制造商的大額收入預(yù)測。


與EV相關(guān)的還有EV充電站及其充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。在EV充電站的情況下,一個主要考慮因素是功率密度。在這方面,碳化硅起到了作用,使系統(tǒng)設(shè)計者能夠在相同體積內(nèi)傳輸更多功率,或者保持功率不變,同時將體積減少300%。在相同體積內(nèi)提供更多功率是使用碳化硅用于EV充電站的主要驅(qū)動力。目標(biāo)是使充電站能夠在與人在加油站停留的時間相同的時間內(nèi)為EV充電。這只有通過增加充電站向EV傳送的功率來實現(xiàn)。


碳化硅還通過制造更小、更輕的太陽能逆變器,有助于可再生能源市場。利用SiC所能實現(xiàn)的更快的切換頻率,太陽能逆變器可以使用更小、更輕的磁性元件。根據(jù)功率級別的不同,太陽能逆變器的重量可以小于五十磅。五十磅是由職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)規(guī)定的個人最大舉重限制。超過五十磅的舉重設(shè)備需要兩個或更多人,或者使用舉升設(shè)備。通過創(chuàng)建一個更輕的太陽能逆變器,組織只需要一個人進行安裝。這降低了安裝成本,對于安裝人員和消費者而言更具吸引力。這種優(yōu)勢同樣適用于壁式EV充電器。當(dāng)然,使用碳化硅在太陽能逆變器中還有其他實際好處,例如整體效率提升和系統(tǒng)成本降低。


工業(yè)電機驅(qū)動也因轉(zhuǎn)換至SiC而受益。碳化硅提供了電機逆變器的效率改進、尺寸縮小和散熱增強,從而使電機驅(qū)動可以本地安裝或安裝在電機本身上。這降低了對多個長電纜返回電源柜的需求,而使用Si IGBT的解決方案需要數(shù)百英尺昂貴且復(fù)雜的電纜。通過SiC解決方案,只需要2條電纜連接至電源柜。這消除了數(shù)百英尺昂貴且復(fù)雜的電纜,對于七電機伸縮機械臂等示例中使用SiC的解決方案而言,這將大大節(jié)省成本。



SiC優(yōu)勢、應(yīng)用及加速向脫碳方向發(fā)展


用碳化硅推動世界向脫碳發(fā)展


電動汽車通過直接減少由交通運輸產(chǎn)生的二氧化碳排放量,為脫碳做出貢獻。電動汽車沒有尾氣排放,但它們消耗的電力來自二氧化碳排放源。加入這些排放量后,美國能源部平均將電動汽車的年排放量約為2,817磅二氧化碳,而使用汽油的汽車則為12,594磅二氧化碳。這意味著大氣中排放的二氧化碳量減少了78%。


電動汽車充電站對脫碳沒有直接影響,但如果沒有牢固的直流快速充電站基礎(chǔ)設(shè)施,電動汽車的普及將受到限制。續(xù)航焦慮仍然是影響電動汽車普及的重要原因。90%的美國家庭擁有一輛電動汽車,而其它車輛很可能不是電動汽車。這些數(shù)據(jù)突顯出消費者對電動汽車能否滿足所有需求,特別是長途旅行的信心不足。


自2009年以來,光伏太陽能發(fā)電的成本下降了近90%,使其成為2020年時以37美元/兆瓦時的最低成本能源發(fā)電來源。相比之下,煤炭的成本為112美元/兆瓦時,天然氣為59美元/兆瓦時。太陽能使世界能夠以零二氧化碳排放的方式產(chǎn)生能源,同時成本又是其他能源來源的最低。碳化硅不能完全歸功于這種成本降低,但它是太陽能發(fā)電成本降低的一個原因。


世界正朝著更多地使用電能發(fā)展,因此改進消耗電能設(shè)備的效率非常重要。電動機占據(jù)了世界電力消耗的40-50%。將這些電動機設(shè)計得高效率至關(guān)重要,因為即使是小幅度的效率提高,也會因全球大量電動機的使用而得到放大。


碳化硅不僅加速了現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域的脫碳進程,還推動了之前不可行的應(yīng)用領(lǐng)域。其中一個例子是電動垂直起降(eVTOL)飛行器。就像碳化硅為電動汽車提供了續(xù)航里程一樣,它也為eVTOL提供了延長的續(xù)航里程,使其更具實用性。


碳化硅半導(dǎo)體通過使終端系統(tǒng)更高效、可靠、強大、更小、更輕和整體成本更低,有助于加速這些應(yīng)用的采用。

本文轉(zhuǎn)載自:Arrow Solution微信公眾號

 

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