智能能源时代的 SiC

随着硅达到功率器件的理论性能限制，电力电子行业一直在向宽带隙材料(WBG) 过渡。基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓技术的 WBG 功率半导体器件提供的设计优势可提高应用性能，包括：低漏电流、显着降低的功率损耗、更高的功率密度、更高的工作频率以及耐受更高工作温度的能力. 使用比纯硅等效器件更小的器件尺寸，所有这些都是可能的。稳健性和更高的可靠性是其他重要属性，从而提高了设备的总预期寿命和运行稳定性。

SiC 技术来得正是时候。正如全球能源可持续性推动行业提供更清洁、更高效的电力转换一样，碳化硅功率半导体器件已进入开发和部署阶段。在全球二氧化碳减排目标的推动下，汽车行业向汽车电气化的大规模转变帮助推动了 SiC 市场的增长，推动了产品开发，有望将 SiC 功率器件推向更广泛的工业、电动汽车和可再生能源应用。

正如 IEEE Fellow、PowerAmerica 执行董事兼首席技术官 Victor Veliadis 在前言中指出的那样，“ AspenCore 碳化硅指南对SiC 功率技术的关键方面进行了出色的深入讨论。对于那些直接在现场部署 SiC 的人来说，它是一个有价值的参考，对于那些从硅过渡的人来说，它是一个全面的介绍。

SiC 器件也被部署在具有严格尺寸、重量和效率要求的高压功率转换器中。通态电阻和开关损耗显着降低，而 SiC 的导热率几乎是硅的三倍，使组件能够更快地散热。随着基于硅的设备尺寸缩小，这一点很重要。

碳化硅的带隙能量大于硅（3.2eV，或大约是硅的三倍，等于1.1eV）。更高的击穿电压和效率以及更好的高温热稳定性是可能的，因为需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子。更小的电路和更轻的重量，以及更低的总功耗都是在逆变器中采用 SiC 技术的优势。SiC MOSFET 可以在更高的开关频率下工作，从而允许使用更小的逆变器组件。SiC功率半导体也可以在比普通硅功率半导体更大的电压和电流下工作，从而产生更大的功率。

我们还涵盖 WBG 市场、技术和应用。技术专家提供对受益于 SiC 功率器件卓越性能的市场的洞察。随后讨论了支撑设计、制造和电路实现的技术基础。后续章节涵盖主要的 SiC 器件应用，包括电动汽车、可再生能源、电机控制、航空航天和国防。

北卡罗来纳大学电气和计算机工程教授 Veliadis 补充道：“每一章都是对其主题的实用概述，对于任何想要保持在功率 SiC 技术前沿的人来说，都是必读的。”

汽车、智能能源：SiC 增长动力

减少二氧化碳排放的积极目标将需要对全球能源生产进行全面改革。风能和太阳能，经常与储能相结合，是增长最快的行业之一。SiC 技术是这些解决方案的核心。

正如市场分析师 Yole Développement 的 Ezgi Dogmus 和 Ana Villamor 所讨论的，碳化硅的增长动力包括混合动力和电动汽车。分析师们将 SiC 在汽车市场的崛起追溯到 2017 年，当时特斯拉在其主逆变器中采用了该技术。其他电动汽车制造商很快跟进。Yole 预计，到 2026 年，汽车 SiC 市场——包括车载充电器和 DC/DC 应用以及逆变器——将超过 20 亿美元。

业界认为，汽车平台将成为 SiC 向更多电力电子领域扩张的跳板，使技术成熟，从而产生更高的器件良率和更实惠的器件。我们的分析着眼于 SiC 供应链中的主要参与者，并研究了围绕 SiC 晶圆供应和产能的问题。

对于智能能源应用，SiC 的介电强度是硅的 10 倍，从而使设备能够在更高的电压下运行，同时满足充电基础设施和智能电网的运行要求。在更高的开关频率下工作也提供了多种好处。SiC 较高的开关频率允许设计人员减小磁铁、作为滤波器一部分的电感器或在使用高频时可以更小的变压器的物理尺寸。同时，由于较高的开关频率而产生的低谐波可以显着提高电机效率。

在汽车和工业环境中，基于 SiC 材料的能源解决方案正在增加。制造晶片的过程仍然比用于硅晶片的过程复杂得多。随着对 SiC 器件的需求不断增长，制造商必须寻找晶圆供应商。

我们的最新著作还收录了参与 SiC 生产的主要半导体公司高管的贡献，包括他们对 SiC 技术未来的看法。讨论包括汽车电气化以外的 SiC 增长的可能市场驱动因素，包括光伏逆变器和储能、UPS 系统、数据服务器的电源单元和工业电机驱动器。

困扰 WBG 部门的供应链问题已经缓解。尽管如此，行业高管仍强调 OEM 与一级供应商合作的重要性，以确保设备供应足以满足不断增长的需求。