导读：在过去六十年中，硅（Si）无疑代表了半导体领域的一次革命。从微型电子计算器演变到现代数字化时代，半导体技术成为各种行业技术进步的核心推动力。但随着摩尔定律逐渐接近其极限，及全球对清洁能源技术的重视与芯片短缺问题，该领域迫切需要更高效、更智能的解决方案。
一种新的半导体材料，碳化硅（SiC），正逐渐在电子行业中占据一席之地。这种与硅类似的物质，因其卓越的性能和高效能源效率而受到广大瞩目。碳化硅首次由美国发明家Edward G. Acheson在1891年发现，当时他正在尝试制造人造钻石。这一发现标志着一个传奇材料的诞生。
现如今，从材料和制造技术的角度看，SiC的发展阶段与三十年前的Si相似。但SiC基础的器件预计将显著提高整体系统的效率，且其开关频率远超传统硅材料的能力。
尽管SiC在半导体领域的应用仍处于初级阶段，但对其的需求正在迅速上升。据MarketsandMarkets统计，预计SiC市场从2021年的8.99亿美元将增至2026年的21.13亿美元，年均复合增长率为18.7%。这一增长主要得益于电子、电力行业及新型电动车的市场需求。
当我们决定采用SiC或Si为基础的解决方案时，必须深入了解它们之间的核心差异、主要优势和相应的权衡。
一、材料特性
作为一种宽禁带（WBG）半导体材料，与传统的Si相比，SiC更宽的能量差使其具有更高的热和电子特性。这一特性使功率器件能够在更高的温度、频率和电压下工作。
SiC在电动车应用和其他电子电气产品中的能效主要归功于材料本身。与Si相比，SiC具有以下特点：
1、10倍的电介质击穿场强；
2、2倍的电子饱和速度；
3、3倍的能量带隙；
4、3倍的热导率；
简而言之，随着工作电压的提高，SiC的优势变得更加明显。与Si相比，1200V的SiC开关比600V的开关更具优越性。这种特点促使了SiC功率开关器件的广泛应用，从而显著提高了电动车、其充电设备和能源基础设施的效率，使SiC成为汽车制造商和一级供应商的首选。
但在300V及以下的低电压环境中，SiC的优势相对较小。在这种情况下，另一种宽禁带半导体——氮化镓（GaN）可能更具应用潜力。
二、性能特点：续航里程和效率
与Si相比，SiC的一个关键区别在于其更高的系统级效率，这是因为SiC具有更大的功率密度、更低的功率损耗、更高的工作频率和更高的工作温度。这意味着单次充电续航里程更高，电池尺寸可以更小，车载充电器（OBC）的充电时间更快。
在电动车的世界里，最大机会之一在于汽油发动机的替代品电动传动系统的牵引逆变器。当直流电（DC）流入逆变器时，转换后的交流电（AC）帮助电机运转，为车轮和其他电子元件提供动力。用先进的SiC芯片取代现有的Si开关技术，减少了逆变器中的能量损失，使车辆能够提供额外的续航能力。例如，经过实车验证，Onsemi的VE-Trac Direct SiC功率模块，可以将逆变器系统的效率提高40%，从而使净驾驶里程增加了4%-8%。由于电池是电动车中最昂贵的部件，这对SiC来说是一种有吸引力的系统级增值。
因此，当外形尺寸、逆变器或DC-DC模块的尺寸、效率和可靠性等特性成为关键考虑因素时，SiC MOSFET成为一个引人注目的商业因素。设计工程师现在有了更小、更轻、更节能的功率解决方案，以满足各种终端应用。以特斯拉为例。虽然该公司的前几代电动车使用Si IGBT，但标准轿车市场的兴起促使他们在Model 3中采用了SiC MOSFET，从而成为了行业中的首次尝试。
三、功率是关键因素
SiC的材料特性使其成为具有高温、高电流和高导热性的大功率应用的首选。由于SiC器件可以在更高的功率密度下工作，它可以使电动车电子电气系统的外形尺寸缩小。据高盛称，SiC非凡的效率可以使电动车的制造成本和持有成本降低近2000美元/辆。
随着某些电动车的电池容量已经达到近100kWh，且还在计划继续增加以实现更高的续航里程，预计未来的几代产品将严重依赖于SiC的附加效率和处理更高功率的能力。另一方面，对于低功率的车辆，如双门入门级电动车、PHEV或使用20kWh或更小电池尺寸的轻型电动车，Si IGBT是更经济的解决方案。
为了在高电压工作环境中最大限度地降低功率损耗和碳排放，行业越来越偏向于使用SiC而非其他材料。事实上，许多电动车用户已将原有的Si方案替换为新的SiC开关，这进一步验证了SiC技术在系统级上的明显优势。
四、成本因素
如今，市场常态是，在相同性能等级的情况下，SiC组件的成本是Si组件的三倍。这主要是因为与Si相比，SiC的供应链相对较短。
几年前，主要的SiC供应商需要花费大量时间来向客户解释额外成本带来的长期投资回报。但现在，随着市场的成熟，车厂更深刻地认识到SiC模块的优势及其对实现目标功率水平的帮助。不同于Si，SiC针对预期的应用场景展现了特定的投资回报。
以Tier 1开发的驱动系统为例，选择基于SiC的逆变器成本会高于选择基于Si的IGBT逆变器。初看之下，这似乎没有投资的优势。但如果与致力于集成整体解决方案的车厂合作，SiC的解决方案可以为他们提供额外的4%-8%的续航能力或降低电池使用量，从而平衡那部分额外的成本支出。
将SiC MOSFET从6英寸晶圆转向8英寸晶圆是加强SiC供应的关键一步。它允许更好的工艺能力，从而实现更高的电流密度、更小的芯片尺寸、每片晶圆产出更多的芯片，以及高达30%的成本降低。由于目前大多数商业化的晶圆厂设备都是8英寸的，对8英寸SiC的投资可以使理论上的资本效率提高50%以上。
然而，考虑到当前SiC技术成熟度面临的众多技术挑战，它将需要基础工程开发。对8英寸的过早投资会成倍地增加技术的复杂性，阻碍解决的进展。换句话说，改进现有的6英寸SiC技术仍有大量的成本和产量效益。
五、市场机会
现在，四轮驱动系统越来越普及。在这种系统中，驾驶员可以根据道路条件（无论是雪地、结冰路面、湿滑还是干燥路段）选择使用两个车轴中的任何一个进行驱动。大部分时间，由于其高效率，更大的后轴都是启动的，这时候，SiC的解决方案显得尤为重要。
相对地，前轴作为辅助轴，通常用来提供额外的加速，这里经常采用基于Si的IGBT解决方案。这种配置在系统级别提供了成本和效率的最佳平衡。
另外，SiC在电子电气领域的另一个重大应用机会是在车载充电器（OBC）中，它负责将充电站的交流电转换为直流电，为汽车电池充电。随着SiC技术的日益成熟，它在OBC应用中的份额也逐渐增长，替代了传统的硅基超结MOSFET。为未来的OBC设计的SiC开关带来了更紧凑的尺寸和更快的充电速度。
得益于SiC更低的导通电阻和开关损耗，整体效率得到显著提升，从而减少了能源损耗，并使更多的电能输送到电池中。这不仅增加了功率密度，允许更小巧的设计，而且也为用户提供了一个更高效且成本更低的系统。
六、需要考虑的挑战
随着更多的行业参与者希望扩大其SiC的采用，最大的挑战在于供应链。目前，大多数设备供应商2022年的产品都已售罄，而2023年只剩下少数几个名额，交货时间又很长。那么接下来的问题就是，客户将如何大胆地与全球SiC供应商签订长期协议以确保未来的产能。
在原子层面上，Si和碳化物原子的基本注入形成SiC会产生更高的缺陷密度，导致产量比Si低。这是一个工程上的障碍，需要聪明的头脑来解决。基于SiC的解决方案量产的另一个关键推动因素是提供足够的SiC晶体容量，以提高晶体质量，并为200毫米的整个供应链做好准备。
七、展望未来
随着电动车在全球的广泛普及，SiC面临的增长机会显而易见。而大量的电动车涌入市场也意味着我们需要一个更为迅速和高效的充电网络，以确保用户在旅途中充足的电量，从而消除他们的续航里程担忧。
像特斯拉这样的行业领导者已经展现了SiC在提高续航里程中的潜力，进而让更多的车厂开始认识到SiC技术的独特价值，并考虑将其整合进电驱系统。考虑到全球正朝向净零排放目标迈进，加上越来越多的国家和企业承诺在2040年甚至更早前逐步放弃化石燃料车辆，SiC的创新解决方案无疑将重塑半导体行业的未来趋势。
来源：华夏EV网
活动推荐👇
