SiC推進(jìn)電動(dòng)化更上一層樓

未來的半導(dǎo)體將如何提升汽車和其他產(chǎn)業(yè)的性能

Cree 公司 Wolfspeed 首席技術(shù)官 John Palmour

眾多電源系統(tǒng)正在從硅 (Si) 技術(shù)向碳化硅 (SiC) 技術(shù)轉(zhuǎn)變。這將是自 20 世紀(jì) 80 年代雙極型半導(dǎo)體向絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 轉(zhuǎn)變以來，功率半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷的[敏感詞]變革。這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的同時(shí)，許多受其影響的產(chǎn)業(yè)也正在經(jīng)歷著不同尋常的全面變革時(shí)期。從汽車行業(yè)到太陽(yáng)能，碳化硅 (SiC) 的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)變得不可忽視。在經(jīng)歷巨大變革的同時(shí)，所有主要廠商都在努力將碳化硅 (SiC) 進(jìn)一步集成到自身技術(shù)之中。

汽車產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)歷前所未有變化的一個(gè)典型例子。在未來十年，汽車產(chǎn)業(yè)將從內(nèi)燃機(jī)向電動(dòng)化轉(zhuǎn)變。硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉(zhuǎn)變，在助力電動(dòng)汽車滿足消費(fèi)者需求的效率方面發(fā)揮著重大作用，同時(shí)還可符合針對(duì)氣候變化影響的政府法規(guī)。碳化硅 (SiC) 解決方案正在幫助電動(dòng)汽車“更上一層樓”，提升快速充電基礎(chǔ)設(shè)施、驅(qū)動(dòng)逆變器和電源等應(yīng)用，并促進(jìn)電信、[敏感詞]和航空航天等應(yīng)用取得進(jìn)步。

圖1. 實(shí)驗(yàn)室中的 Cree 員工

電動(dòng)汽車機(jī)遇

隨著消費(fèi)者需求的不斷增長(zhǎng)和政府法規(guī)的加強(qiáng)，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(dòng)汽車領(lǐng)域投資超過 3,000 億美元。分析師預(yù)計(jì)，到 2030 年，純電動(dòng)汽車 (BEV) 數(shù)量將達(dá)到汽車總量的 15%。因此，未來幾年，用于電動(dòng)汽車的碳化硅 (SiC) 元器件市場(chǎng)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

電動(dòng)化如此受到重視，使得制造商們無(wú)法再對(duì)碳化硅 (SiC) 的優(yōu)勢(shì)視而不見。與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車采用的硅 (Si) 技術(shù)相比，碳化硅 (SiC) 可提高電池續(xù)航里程、改善其性能并縮短充電時(shí)間。因此，許多供應(yīng)商都宣布與 Cree 合作開展電動(dòng)汽車計(jì)劃。例如，德爾?？萍?(Delphi Technologies) 正在利用碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體開發(fā)更高效、更小型、更輕量的逆變器系統(tǒng)，而采埃孚集團(tuán) (ZF Group) 則正在開發(fā)全電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成。ABB 集團(tuán)正在開發(fā)和提供各種采用碳化硅 (SiC) 的功率系統(tǒng)。

效率提升

碳化硅 (SiC) 的開關(guān)損耗比硅 (Si) 基 IGBT 低得多。此外，碳化硅器件沒有內(nèi)建電壓，其導(dǎo)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(cè)試中，與硅 (Si) 相比，Cree 的碳化硅 (SiC) 技術(shù)將逆變器損耗降低了約 78%。

在汽車領(lǐng)域，這些效率提升可用于動(dòng)力總成解決方案、功率轉(zhuǎn)換器以及非車載充電機(jī)和車載充電機(jī)。與傳統(tǒng)的硅 (Si) 基解決方案相比，碳化硅 (SiC) 可使電動(dòng)汽車的整體效率提高 5% 至 10%。制造商可以借助這一點(diǎn)來提升續(xù)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(jié)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(jī)提供支持，目前充電 5 分鐘可提高續(xù)航 75 英里。

碳化硅 (SiC) 解決方案成本的持續(xù)下降帶來其采用率的進(jìn)一步提高。以汽車為例，我們估計(jì)，一輛電動(dòng)汽車所采用碳化硅 (SiC) 元器件的價(jià)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(dòng)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(jié)省的總成本可高達(dá) 2,000 美元。雖然還有許多因素在推動(dòng)著從硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉(zhuǎn)變，但這一點(diǎn)是關(guān)鍵。

汽車產(chǎn)業(yè)之外

汽車產(chǎn)業(yè)的需求大約占據(jù)了 Cree 90億美元碳化硅 (SiC) 機(jī)會(huì)的一半，而太陽(yáng)能、航空航天、[敏感詞]以及通信基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域則是其他需求的主要驅(qū)動(dòng)力。根據(jù) Canaccord Genuity 公司近期預(yù)估，到 2030 年，對(duì)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(yè)和能源企業(yè)[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(yè)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其自身的成本。在這些領(lǐng)域，更高的效率就意味著更高的利潤(rùn)。

在電力電子領(lǐng)域，碳化硅 (SiC) 的效率遠(yuǎn)高于硅 (Si)，功率密度是硅 (Si) 的三倍，使得高電壓系統(tǒng)更輕量、更小型、更高效、更具成本優(yōu)勢(shì)。這一卓越性能已經(jīng)達(dá)到了爆發(fā)點(diǎn)，制造商若想在當(dāng)前市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力，便不可再對(duì)其視而不見。

半導(dǎo)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(chǎn)量和經(jīng)驗(yàn)的不斷增進(jìn)，其成本也在持續(xù)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(shí)到碳化硅 (SiC) 的真正價(jià)值在于系統(tǒng)層面，而非器件級(jí)別的比較。為了滿足各個(gè)產(chǎn)業(yè)的需求，碳化硅 (SiC) 制造將進(jìn)一步提升，產(chǎn)量將不斷增長(zhǎng)，從而其價(jià)格也將繼續(xù)下降。以 Cree 作為一個(gè)參考，Cree 為了滿足這些需求，開展了大規(guī)模的投資，包括在紐約州建造采用領(lǐng)先前沿技術(shù)且滿足車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的工廠，將使得產(chǎn)能提升至 2017 年的 30 倍以上。

從硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)不再是會(huì)否發(fā)生與何時(shí)發(fā)生的問題，我們已經(jīng)身處其中。全面地參與到諸多產(chǎn)業(yè)的巨大變革之中，令人激動(dòng)不已。這些產(chǎn)業(yè)的未來[敏感詞]不會(huì)是一成不變的，我們一定會(huì)繼續(xù)看到前所未有的變化。而那些能夠快速適應(yīng)這些變化的制造商，則定將收獲豐碩的成果。

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