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SiC推进电动化更上一层楼

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:622

SiC推进电动化更上一层楼

未来的半导体将如何提升汽车和其他产业的性能

Cree 公司 Wolfspeed 首席技术官 John Palmour


众多电源系统正在从硅 (Si) 技术向碳化硅 (SiC) 技术转变。这将是自 20 世纪 80 年代双极型半导体向绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 转变以来,功率半导体行业经历的[敏感词]变革。这种转变发生的同时,许多受其影响的产业也正在经历着不同寻常的全面变革时期。从汽车行业到太阳能,碳化硅 (SiC) 的优势已经变得不可忽视。在经历巨大变革的同时,所有主要厂商都在努力将碳化硅 (SiC) 进一步集成到自身技术之中。


汽车产业是现代工业经历前所未有变化的一个典型例子。在未来十年,汽车产业将从内燃机向电动化转变。硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的转变,在助力电动汽车满足消费者需求的效率方面发挥着重大作用,同时还可符合针对气候变化影响的政府法规。碳化硅 (SiC) 解决方案正在帮助电动汽车“更上一层楼”,提升快速充电基础设施、驱动逆变器和电源等应用,并促进电信、军事和航空航天等应用取得进步。


图1. 实验室中的 Cree 员工


电动汽车机遇


随着消费者需求的不断增长和政府法规的加强,特斯拉 (Tesla)、福特 (Ford) 和大众 (Volkswagen) 等汽车制造商宣布,未来十年将在电动汽车领域投资超过 3,000 亿美元。分析师预计,到 2030 年,纯电动汽车 (BEV) 数量将达到汽车总量的 15%。因此,未来几年,用于电动汽车的碳化硅 (SiC) 元器件市场将呈指数级增长。


电动化如此受到重视,使得制造商们无法再对碳化硅 (SiC) 的优势视而不见。与传统电动汽车采用的硅 (Si) 技术相比,碳化硅 (SiC) 可提高电池续航里程、改善其性能并缩短充电时间。因此,许多供应商都宣布与 Cree 合作开展电动汽车计划。例如,德尔福科技 (Delphi Technologies) 正在利用碳化硅 (SiC) 半导体开发更高效、更小型、更轻量的逆变器系统,而采埃孚集团 (ZF Group) 则正在开发全电驱动动力总成。ABB 集团正在开发和提供各种采用碳化硅 (SiC) 的功率系统。


效率提升


碳化硅 (SiC) 的开关损耗比硅 (Si) 基 IGBT 低得多。此外,碳化硅器件没有内建电压,其导通损耗也明显较低。因此,碳化硅 (SiC) 的功率密度更高、重量更轻且工作频率更高。在最近的一次汽车测试中,与硅 (Si) 相比,Cree 的碳化硅 (SiC) 技术将逆变器损耗降低了约 78%。


在汽车领域,这些效率提升可用于动力总成解决方案、功率转换器以及非车载充电机和车载充电机。与传统的硅 (Si) 基解决方案相比,碳化硅 (SiC) 可使电动汽车的整体效率提高 5% 至 10%。制造商可以借助这一点来提升续航里程,或减少使用笨重且昂贵的电池。此外,碳化硅 (SiC) 还可降低冷却要求、节省空间,重量也比硅 (Si) 基方案轻。碳化硅 (SiC) 还可为快速充电机提供支持,目前充电 5 分钟可提高续航 75 英里。


碳化硅 (SiC) 解决方案成本的持续下降带来其采用率的进一步提高。以汽车为例,我们估计,一辆电动汽车所采用碳化硅 (SiC) 元器件的价值约为 250 美元至 500 美元(取决于其功率要求)。而汽车制造商在每辆电动汽车的电池成本、电池和逆变器的体积与重量,以及冷却要求方面所节省的总成本可高达 2,000 美元。虽然还有许多因素在推动着从硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的转变,但这一点是关键。


汽车产业之外


汽车产业的需求大约占据了 Cree 90亿美元碳化硅 (SiC) 机会的一半,而太阳能、航空航天、国防以及通信基础设施等领域则是其他需求的主要驱动力。根据 Canaccord Genuity 公司近期预估,到 2030 年,对于碳化硅 (SiC) 的需求将超过 200 亿美元。


图2. Cree 650V MOSFET


碳化硅 (SiC) 功率器件还能够帮助工业和能源企业[敏感词]限度地提高用电利用率和空间利用率。碳化硅 (SiC) 赋予高频工业电源和不间断电源更高的效率、更高的功率密度和更轻的重量,碳化硅 (SiC) 所带来的效益远远超过了其自身的成本。在这些领域,更高的效率就意味着更高的利润。


在电力电子领域,碳化硅 (SiC) 的效率远高于硅 (Si),功率密度是硅 (Si) 的三倍,使得高电压系统更轻量、更小型、更高效、更具成本优势。这一卓越性能已经达到了爆发点,制造商若想在当前市场中保持竞争力,便不可再对其视而不见。


半导体的未来


成本是之前制约碳化硅 (SiC) 采用的主要障碍。但伴随着产量和经验的不断增进,其成本也在持续下降。因此其制造也变得更加高效和精炼。更重要的是,客户逐渐意识到碳化硅 (SiC) 的真正价值在于系统层面,而非器件级别的比较。为了满足各个产业的需求,碳化硅 (SiC) 制造将进一步提升,产量将不断增长,从而其价格也将继续下降。以 Cree 作为一个参考,Cree 为了满足这些需求,开展了大规模的投资,包括在纽约州建造采用领先前沿技术且满足车规级标准的工厂,将使得产能提升至 2017 年的 30 倍以上。


从硅 (Si) 到碳化硅 (SiC) 的转变,已经不再是会否发生与何时发生的问题,我们已经身处其中。全面地参与到诸多产业的巨大变革之中,令人激动不已。这些产业的未来[敏感词]不会是一成不变的,我们一定会继续看到前所未有的变化。而那些能够快速适应这些变化的制造商,则定将收获丰硕的成果。


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