隨著硅達(dá)到功率器件的理論性能限制，電力電子行業(yè)一直在向寬帶隙材料(WBG) 過渡。基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵技術(shù)的 WBG 功率半導(dǎo)體器件提供的設(shè)計優(yōu)勢可提高應(yīng)用性能，包括：低漏電流、顯著降低的功率損耗、更高的功率密度、更高的工作頻率以及耐受更高工作溫度的能力. 使用比純硅等效器件更小的器件尺寸，所有這些都是可能的。穩(wěn)健性和更高的可靠性是其他重要屬性，從而提高了設(shè)備的總預(yù)期壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。
SiC 技術(shù)來得正是時候。正如全球能源可持續(xù)性推動行業(yè)提供更清潔、更高效的電力轉(zhuǎn)換一樣，碳化硅功率半導(dǎo)體器件已進(jìn)入開發(fā)和部署階段。在全球二氧化碳減排目標(biāo)的推動下，汽車行業(yè)向汽車電氣化的大規(guī)模轉(zhuǎn)變幫助推動了 SiC 市場的增長，推動了產(chǎn)品開發(fā)，有望將 SiC 功率器件推向更廣泛的工業(yè)、電動汽車和可再生能源應(yīng)用。
正如 IEEE Fellow、PowerAmerica 執(zhí)行董事兼首席技術(shù)官 Victor Veliadis 在前言中指出的那樣，“ AspenCore 碳化硅指南對SiC 功率技術(shù)的關(guān)鍵方面進(jìn)行了出色的深入討論。對于那些直接在現(xiàn)場部署 SiC 的人來說，它是一個有價值的參考，對于那些從硅過渡的人來說，它是一個全面的介紹。
SiC 器件也被部署在具有嚴(yán)格尺寸、重量和效率要求的高壓功率轉(zhuǎn)換器中。通態(tài)電阻和開關(guān)損耗顯著降低，而 SiC 的導(dǎo)熱率幾乎是硅的三倍，使組件能夠更快地散熱。隨著基于硅的設(shè)備尺寸縮小，這一點(diǎn)很重要。
碳化硅的帶隙能量大于硅（3.2eV，或大約是硅的三倍，等于1.1eV）。更高的擊穿電壓和效率以及更好的高溫?zé)岱€(wěn)定性是可能的，因?yàn)樾枰嗟哪芰縼砑ぐl(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價電子。更小的電路和更輕的重量，以及更低的總功耗都是在逆變器中采用 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢。SiC MOSFET 可以在更高的開關(guān)頻率下工作，從而允許使用更小的逆變器組件。SiC功率半導(dǎo)體也可以在比普通硅功率半導(dǎo)體更大的電壓和電流下工作，從而產(chǎn)生更大的功率。
我們還涵蓋 WBG 市場、技術(shù)和應(yīng)用。技術(shù)專家提供對受益于 SiC 功率器件卓越性能的市場的洞察。隨后討論了支撐設(shè)計、制造和電路實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。后續(xù)章節(jié)涵蓋主要的 SiC 器件應(yīng)用，包括電動汽車、可再生能源、電機(jī)控制、航空航天和國防。
北卡羅來納大學(xué)電氣和計算機(jī)工程教授 Veliadis 補(bǔ)充道：“每一章都是對其主題的實(shí)用概述，對于任何想要保持在功率 SiC 技術(shù)前沿的人來說，都是必讀的。”
汽車、智能能源：SiC 增長動力
減少二氧化碳排放的積極目標(biāo)將需要對全球能源生產(chǎn)進(jìn)行全面改革。風(fēng)能和太陽能，經(jīng)常與儲能相結(jié)合，是增長最快的行業(yè)之一。SiC 技術(shù)是這些解決方案的核心。
正如市場分析師 Yole Développement 的 Ezgi Dogmus 和 Ana Villamor 所討論的，碳化硅的增長動力包括混合動力和電動汽車。分析師們將 SiC 在汽車市場的崛起追溯到 2017 年，當(dāng)時特斯拉在其主逆變器中采用了該技術(shù)。其他電動汽車制造商很快跟進(jìn)。Yole 預(yù)計，到 2026 年，汽車 SiC 市場——包括車載充電器和 DC/DC 應(yīng)用以及逆變器——將超過 20 億美元。
業(yè)界認(rèn)為，汽車平臺將成為 SiC 向更多電力電子領(lǐng)域擴(kuò)張的跳板，使技術(shù)成熟，從而產(chǎn)生更高的器件良率和更實(shí)惠的器件。我們的分析著眼于 SiC 供應(yīng)鏈中的主要參與者，并研究了圍繞 SiC 晶圓供應(yīng)和產(chǎn)能的問題。
對于智能能源應(yīng)用，SiC 的介電強(qiáng)度是硅的 10 倍，從而使設(shè)備能夠在更高的電壓下運(yùn)行，同時滿足充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)的運(yùn)行要求。在更高的開關(guān)頻率下工作也提供了多種好處。SiC 較高的開關(guān)頻率允許設(shè)計人員減小磁鐵、作為濾波器一部分的電感器或在使用高頻時可以更小的變壓器的物理尺寸。同時，由于較高的開關(guān)頻率而產(chǎn)生的低諧波可以顯著提高電機(jī)效率。
在汽車和工業(yè)環(huán)境中，基于 SiC 材料的能源解決方案正在增加。制造晶片的過程仍然比用于硅晶片的過程復(fù)雜得多。隨著對 SiC 器件的需求不斷增長，制造商必須尋找晶圓供應(yīng)商。
我們的最新著作還收錄了參與 SiC 生產(chǎn)的主要半導(dǎo)體公司高管的貢獻(xiàn)，包括他們對 SiC 技術(shù)未來的看法。討論包括汽車電氣化以外的 SiC 增長的可能市場驅(qū)動因素，包括光伏逆變器和儲能、UPS 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器的電源單元和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器。
困擾 WBG 部門的供應(yīng)鏈問題已經(jīng)緩解。盡管如此，行業(yè)高管仍強(qiáng)調(diào) OEM 與一級供應(yīng)商合作的重要性，以確保設(shè)備供應(yīng)足以滿足不斷增長的需求。
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