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(guò)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(jì)優(yōu)勢(shì)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(lái)得正是時(shí)候。正如全球能源可持續(xù)性推動(dòng)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(dòng)下，汽車行業(yè)向汽車電氣化的大規(guī)模轉(zhuǎn)變幫助推動(dòng)了 SiC 市場(chǎng)的增長(zhǎng)，推動(dòng)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(dòng)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(duì)SiC 功率技術(shù)的關(guān)鍵方面進(jìn)行了出色的深入討論。對(duì)于那些直接在現(xiàn)場(chǎng)部署 SiC 的人來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)有價(jià)值的參考，對(duì)于那些從硅過(guò)渡的人來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)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?lái)激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價(jià)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(shì)。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(chǎng)、技術(shù)和應(yīng)用。技術(shù)專家提供對(duì)受益于 SiC 功率器件卓越性能的市場(chǎng)的洞察。隨后討論了支撐設(shè)計(jì)、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(dòng)汽車、可再生能源、電機(jī)控制、航空航天和國(guó)防。

北卡羅來(lái)納大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Veliadis 補(bǔ)充道：“每一章都是對(duì)其主題的實(shí)用概述，對(duì)于任何想要保持在功率 SiC 技術(shù)前沿的人來(lái)說(shuō)，都是必讀的?！?

汽車、智能能源：SiC 增長(zhǎng)動(dòng)力

減少二氧化碳排放的積極目標(biāo)將需要對(duì)全球能源生產(chǎn)進(jìn)行全面改革。風(fēng)能和太陽(yáng)能，經(jīng)常與儲(chǔ)能相結(jié)合，是增長(zhǎng)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(chǎng)分析師 Yole Développement 的 Ezgi Dogmus 和 Ana Villamor 所討論的，碳化硅的增長(zhǎng)動(dòng)力包括混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車。分析師們將 SiC 在汽車市場(chǎng)的崛起追溯到 2017 年，當(dāng)時(shí)特斯拉在其主逆變器中采用了該技術(shù)。其他電動(dòng)汽車制造商很快跟進(jìn)。Yole 預(yù)計(jì)，到 2026 年，汽車 SiC 市場(chǎng)——包括車載充電器和 DC/DC 應(yīng)用以及逆變器——將超過(guò) 20 億美元。

業(yè)界認(rèn)為，汽車平臺(tái)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(wèn)題。

對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)可以更小的變壓器的物理尺寸。同時(shí)，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(guò)程仍然比用于硅晶片的過(guò)程復(fù)雜得多。隨著對(duì) SiC 器件的需求不斷增長(zhǎng)，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(duì) SiC 技術(shù)未來(lái)的看法。討論包括汽車電氣化以外的 SiC 增長(zhǎng)的可能市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素，包括光伏逆變器和儲(chǔ)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(dòng)器。

困擾 WBG 部門的供應(yīng)鏈問(wèn)題已經(jīng)緩解。盡管如此，行業(yè)高管仍強(qiáng)調(diào) OEM 與一級(jí)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(zhǎng)的需求。