導讀：在過去六十年中，硅（Si）無疑代表了半導體領域的一次革命。從微型電子計算器演變到現代數字化時代，半導體技術成為各種行業技術進步的核心推動力。但隨著摩爾定律逐漸接近其極限，及全球對清潔能源技術的重視與芯片短缺問題，該領域迫切需要更高效、更智能的解決方案。

一種新的半導體材料，碳化硅（SiC），正逐漸在電子行業中占據一席之地。這種與硅類似的物質，因其卓越的性能和高效能源效率而受到廣大矚目。碳化硅首次由美國發明家Edward G. Acheson在1891年發現，當時他正在嘗試制造人造鉆石。這一發現標志著一個傳奇材料的誕生。

(資料圖)

現如今，從材料和制造技術的角度看，SiC的發展階段與三十年前的Si相似。但SiC基礎的器件預計將顯著提高整體系統的效率，且其開關頻率遠超傳統硅材料的能力。

盡管SiC在半導體領域的應用仍處于初級階段，但對其的需求正在迅速上升。據MarketsandMarkets統計，預計SiC市場從2021年的8.99億美元將增至2026年的21.13億美元，年均復合增長率為18.7%。這一增長主要得益于電子、電力行業及新型電動車的市場需求。

當我們決定采用SiC或Si為基礎的解決方案時，必須深入了解它們之間的核心差異、主要優勢和相應的權衡。

一、材料特性

作為一種寬禁帶（WBG）半導體材料，與傳統的Si相比，SiC更寬的能量差使其具有更高的熱和電子特性。這一特性使功率器件能夠在更高的溫度、頻率和電壓下工作。

SiC在電動車應用和其他電子電氣產品中的能效主要歸功于材料本身。與Si相比，SiC具有以下特點：

1、10倍的電介質擊穿場強；

2、2倍的電子飽和速度；

3、3倍的能量帶隙；

4、3倍的熱導率；

簡而言之，隨著工作電壓的提高，SiC的優勢變得更加明顯。與Si相比，1200V的SiC開關比600V的開關更具優越性。這種特點促使了SiC功率開關器件的廣泛應用，從而顯著提高了電動車、其充電設備和能源基礎設施的效率，使SiC成為汽車制造商和一級供應商的首選。

但在300V及以下的低電壓環境中，SiC的優勢相對較小。在這種情況下，另一種寬禁帶半導體——氮化鎵（GaN）可能更具應用潛力。

二、性能特點：續航里程和效率

與Si相比，SiC的一個關鍵區別在于其更高的系統級效率，這是因為SiC具有更大的功率密度、更低的功率損耗、更高的工作頻率和更高的工作溫度。這意味著單次充電續航里程更高，電池尺寸可以更小，車載充電器（OBC）的充電時間更快。

在電動車的世界里，最大機會之一在于汽油發動機的替代品電動傳動系統的牽引逆變器。當直流電（DC）流入逆變器時，轉換后的交流電（AC）幫助電機運轉，為車輪和其他電子元件提供動力。用先進的SiC芯片取代現有的Si開關技術，減少了逆變器中的能量損失，使車輛能夠提供額外的續航能力。例如，經過實車驗證，Onsemi的VE-Trac Direct SiC功率模塊，可以將逆變器系統的效率提高40%，從而使凈駕駛里程增加了4%-8%。由于電池是電動車中最昂貴的部件，這對SiC來說是一種有吸引力的系統級增值。

因此，當外形尺寸、逆變器或DC-DC模塊的尺寸、效率和可靠性等特性成為關鍵考慮因素時，SiC MOSFET成為一個引人注目的商業因素。設計工程師現在有了更小、更輕、更節能的功率解決方案，以滿足各種終端應用。以特斯拉為例。雖然該公司的前幾代電動車使用Si IGBT，但標準轎車市場的興起促使他們在Model 3中采用了SiC MOSFET，從而成為了行業中的首次嘗試。

三、功率是關鍵因素

SiC的材料特性使其成為具有高溫、高電流和高導熱性的大功率應用的首選。由于SiC器件可以在更高的功率密度下工作，它可以使電動車電子電氣系統的外形尺寸縮小。據高盛稱，SiC非凡的效率可以使電動車的制造成本和持有成本降低近2000美元/輛。

隨著某些電動車的電池容量已經達到近100kWh，且還在計劃繼續增加以實現更高的續航里程，預計未來的幾代產品將嚴重依賴于SiC的附加效率和處理更高功率的能力。另一方面，對于低功率的車輛，如雙門入門級電動車、PHEV或使用20kWh或更小電池尺寸的輕型電動車，Si IGBT是更經濟的解決方案。

為了在高電壓工作環境中最大限度地降低功率損耗和碳排放，行業越來越偏向于使用SiC而非其他材料。事實上，許多電動車用戶已將原有的Si方案替換為新的SiC開關，這進一步驗證了SiC技術在系統級上的明顯優勢。

四、成本因素

如今，市場常態是，在相同性能等級的情況下，SiC組件的成本是Si組件的三倍。這主要是因為與Si相比，SiC的供應鏈相對較短。

幾年前，主要的SiC供應商需要花費大量時間來向客戶解釋額外成本帶來的長期投資回報。但現在，隨著市場的成熟，車廠更深刻地認識到SiC模塊的優勢及其對實現目標功率水平的幫助。不同于Si，SiC針對預期的應用場景展現了特定的投資回報。

以Tier 1開發的驅動系統為例，選擇基于SiC的逆變器成本會高于選擇基于Si的IGBT逆變器。初看之下，這似乎沒有投資的優勢。但如果與致力于集成整體解決方案的車廠合作，SiC的解決方案可以為他們提供額外的4%-8%的續航能力或降低電池使用量，從而平衡那部分額外的成本支出。

將SiC MOSFET從6英寸晶圓轉向8英寸晶圓是加強SiC供應的關鍵一步。它允許更好的工藝能力，從而實現更高的電流密度、更小的芯片尺寸、每片晶圓產出更多的芯片，以及高達30%的成本降低。由于目前大多數商業化的晶圓廠設備都是8英寸的，對8英寸SiC的投資可以使理論上的資本效率提高50%以上。

然而，考慮到當前SiC技術成熟度面臨的眾多技術挑戰，它將需要基礎工程開發。對8英寸的過早投資會成倍地增加技術的復雜性，阻礙解決的進展。換句話說，改進現有的6英寸SiC技術仍有大量的成本和產量效益。

五、市場機會

現在，四輪驅動系統越來越普及。在這種系統中，駕駛員可以根據道路條件（無論是雪地、結冰路面、濕滑還是干燥路段）選擇使用兩個車軸中的任何一個進行驅動。大部分時間，由于其高效率，更大的后軸都是啟動的，這時候，SiC的解決方案顯得尤為重要。

相對地，前軸作為輔助軸，通常用來提供額外的加速，這里經常采用基于Si的IGBT解決方案。這種配置在系統級別提供了成本和效率的最佳平衡。

另外，SiC在電子電氣領域的另一個重大應用機會是在車載充電器（OBC）中，它負責將充電站的交流電轉換為直流電，為汽車電池充電。隨著SiC技術的日益成熟，它在OBC應用中的份額也逐漸增長，替代了傳統的硅基超結MOSFET。為未來的OBC設計的SiC開關帶來了更緊湊的尺寸和更快的充電速度。

得益于SiC更低的導通電阻和開關損耗，整體效率得到顯著提升，從而減少了能源損耗，并使更多的電能輸送到電池中。這不僅增加了功率密度，允許更小巧的設計，而且也為用戶提供了一個更高效且成本更低的系統。

六、需要考慮的挑戰

隨著更多的行業參與者希望擴大其SiC的采用，最大的挑戰在于供應鏈。目前，大多數設備供應商2022年的產品都已售罄，而2023年只剩下少數幾個名額，交貨時間又很長。那么接下來的問題就是，客戶將如何大膽地與全球SiC供應商簽訂長期協議以確保未來的產能。

在原子層面上，Si和碳化物原子的基本注入形成SiC會產生更高的缺陷密度，導致產量比Si低。這是一個工程上的障礙，需要聰明的頭腦來解決?；赟iC的解決方案量產的另一個關鍵推動因素是提供足夠的SiC晶體容量，以提高晶體質量，并為200毫米的整個供應鏈做好準備。

七、展望未來

隨著電動車在全球的廣泛普及，SiC面臨的增長機會顯而易見。而大量的電動車涌入市場也意味著我們需要一個更為迅速和高效的充電網絡，以確保用戶在旅途中充足的電量，從而消除他們的續航里程擔憂。

像特斯拉這樣的行業領導者已經展現了SiC在提高續航里程中的潛力，進而讓更多的車廠開始認識到SiC技術的獨特價值，并考慮將其整合進電驅系統?？紤]到全球正朝向凈零排放目標邁進，加上越來越多的國家和企業承諾在2040年甚至更早前逐步放棄化石燃料車輛，SiC的創新解決方案無疑將重塑半導體行業的未來趨勢。

來源：華夏EV網

活動推薦

關鍵詞：