导读：65年多来，硅（Si）无疑一直是半导体行业革命的代表。从袖珍电子计算器到到推动我们今天所知的数字时代，这种进步速度推动了各行业的技术革新。但是，随着摩尔定律趋于平稳，清洁能源技术日益受到关注，以及全球芯片短缺，该行业对更智能、更节能的解决方案的需求达到了前所未有的高度。
一颗冉冉升起的新星已经开始在电子电气领域产生重大影响。碳化硅（SiC）是Si的近亲，因其卓越的性能和令人印象深刻的能源效率而赢得了一席之位。1891年，美国发明家Edward G. Acheson在试图制造人造钻石时首次发现了这种Si和C的结晶化合物，并经历了一个传奇的演变。
今天，就材料和工艺的复杂性而言，SiC大约与30年前的Si的水平相当。然而，使用基于SiC的器件有望大幅提高系统效率，并使开关频率远远高于今天基于Si的器件所能提供的。
虽然这种化合物在半导体中的应用拓展是最近才出现的，但对SiC器件的需求却在不断增加。根据MarketsandMarkets的预测，SiC市场将从2021年的8.99亿美元增长到2026年的21.13亿美元，年复合增长率为18.7%。这一增长主要是由电子电气和先进的EV、PHEV和HEV的市场需求增加所驱动。
让我们再仔细看一下在选择基于SiC和基于Si的解决方案时需要考虑的一些主要差异、关键优势和权衡，以及不同的参数。
一、材料特性
作为一种宽禁带（WBG）半导体材料，与传统的Si相比，SiC更宽的能量差使其具有更高的热和电子特性。这一特性使功率器件能够在更高的温度、频率和电压下工作。
SiC在电动车应用和其他电子电气产品中的能效主要归功于材料本身。与Si相比，SiC具有以下特点：
1、10倍的电介质击穿场强；
2、2倍的电子饱和速度；
3、3倍的能量带隙；
4、3倍的热导率；
综上所述，SiC的优势随着工作电压的上升而增加。相对于Si，1200V的SiC开关与600V的开关相比具有附加值。这些特性推动了SiC功率开关器件的彻底转变，大幅提高了电动车和电动车充电以及能源基础设施的系统效率，使SiC成为车厂和Tier 1的理想选择。
在300V以下的低电压工作中，SiC的性价比优势就不明显了。这是另一种WBG半导体，即氮化镓（GaN），有望扩大应用的地方。
二、性能特点：续航里程和效率
与Si相比，SiC的一个关键区别在于其更高的系统级效率，这是因为SiC具有更大的功率密度、更低的功率损耗、更高的工作频率和更高的工作温度。这意味着单次充电续航里程更高，电池尺寸可以更小，车载充电器（OBC）的充电时间更快。
在电动车的世界里，最大机会之一在于汽油发动机的替代品电动传动系统的牵引逆变器。当直流电（DC）流入逆变器时，转换后的交流电（AC）帮助电机运转，为车轮和其他电子元件提供动力。
用先进的SiC芯片取代现有的Si开关技术，减少了逆变器中的能量损失，使车辆能够提供额外的续航能力。例如，经过实车验证，Onsemi的VE-Trac Direct SiC功率模块，可以将逆变器系统的效率提高40%，从而使净驾驶里程增加了4%-8%。由于电池是电动车中最昂贵的部件，这对SiC来说是一种有吸引力的系统级增值。
因此，当外形尺寸、逆变器或DC-DC模块的尺寸、效率和可靠性等特性成为关键考虑因素时，SiC MOSFET成为一个引人注目的商业因素。设计工程师现在有了更小、更轻、更节能的功率解决方案，以满足各种终端应用已经具有挑战性的设计目标。
以特斯拉为例。虽然该公司的前几代电动车使用Si IGBT，但标准轿车市场的兴起促使他们在Model 3中采用了SiC MOSFET，从而成为了行业中的首次尝试。
三、功率是关键因素
SiC的材料特性使其成为具有高温、高电流和高导热性的大功率应用的首选。由于SiC器件可以在更高的功率密度下工作，它可以使电动车电子电气系统的外形尺寸缩小。据高盛称，SiC非凡的效率可以使电动车的制造成本和持有成本降低近2000美元/辆。
随着某些电动车的电池容量已经达到近100kWh，且还在计划继续增加以实现更高的续航里程，预计未来的几代产品将严重依赖于SiC的附加效率和处理更高功率的能力。另一方面，对于低功率的车辆，如双门入门级电动车、PHEV或使用20kWh或更小电池尺寸的轻型电动车，Si IGBT是更经济的解决方案。
为了尽量减少在高电压下功率低下造成的碳排放，行业内有更大的推动力，将SiC置于其他材料之上。许多电动车客户已经能够用新的SiC开关替换现有的Si解决方案，迅速证明了SiC技术的系统级附加值。
四、成本因素
今天，市场上一个常见的是，在相同的等级下，SiC元件的成本大约是Si元件的3倍。其中一个主要原因是SiC的供应。与Si相比，SiC的供应仍然非常有限。
几年前，主要的SiC供应商会花几个小时说服客户，为什么额外的成本值得长期的ROI。今天，市场已经成熟，车厂更加意识到SiC模块的优势，以及将如何帮助他们达到理想的功率水平。SiC和Si有其自身的投资回报优点，这取决于预期的应用。
例如，如果Tier 1开发一个驱动系统，基于SiC的逆变器将比基于Si的IGBT逆变器更昂贵。因此，没有ROI优势。但如果你进一步与集成整个解决方案的车厂合作，那么SiC解决方案使他们可以拥有额外的4%-8%的续航能力，或减少电池数量。因此，就可以收回那些额外成本支出了。
将SiC MOSFET从6英寸晶圆转向8英寸晶圆是加强SiC供应的关键一步。它允许更好的工艺能力，从而实现更高的电流密度、更小的芯片尺寸、每片晶圆产出更多的芯片，以及高达30%的成本降低。由于目前大多数商业化的晶圆厂设备都是8英寸的，对8英寸SiC的投资可以使理论上的资本效率提高50%以上。
然而，考虑到当前SiC技术成熟度面临的众多技术挑战，它将需要基础工程开发。对8英寸的过早投资会成倍地增加技术的复杂性，阻碍解决的进展。换句话说，改进现有的6英寸SiC技术仍有大量的成本和产量效益。
五、市场机会
我们可以看到目前四轮驱动系统越来越受欢迎，在这种系统中，驾驶员可以根据道路状况（雪地、结冰的路面、湿地还是干地）选择使用两个独立的车轴来驱动。较大的车桥通常在车辆的尾部，由于其效率高，大部分时间都是打开的。在这种情况下，通常使用基于SiC的解决方案。
反过来说，前轴是车辆的副轴，起到额外提升加速度的作用。这里，通常使用基于Si的IGBT解决方案。这种传动系统配置在系统级层面上提供了一个最佳的成本和效率权衡。
SiC在电子电气领域的第二大市场机会在OBC领域，它将充电站的AC转换为DC，为汽车的电池充电。随着SiC技术在过去几年的成熟，SiC在OBC中的应用已变得更加广泛，取代了传统的硅基超结MOSFET。现有的技术正在被未来的OBC中的SiC开关所取代，这种开关可以实现更小的外形和更短的充电时间。
SiC具有更低的漏极-源极导通电阻和更低的开关损耗，使整个工作范围内的效率更高。这减少了能源浪费，更多的功率被输送到电池。同时功率密度增加，可实现更紧凑的系统，为终端用户创造一个更高效的系统，降低系统成本。
六、需要考虑的挑战
随着更多的行业参与者希望扩大其SiC的采用，最大的挑战在于供应链。目前，大多数设备供应商2022年的产品都已售罄，而2023年只剩下少数几个名额，交货时间又很长。那么接下来的问题就是，客户将如何大胆地与全球SiC供应商签订长期协议以确保未来的产能。
在原子层面上，Si和碳化物原子的基本注入形成SiC会产生更高的缺陷密度，导致产量比Si低。这是一个工程上的障碍，需要聪明的头脑来解决。基于SiC的解决方案量产的另一个关键推动因素是提供足够的SiC晶体容量，以提高晶体质量，并为200毫米的整个供应链做好准备。
七、展望未来
随着电动车在全球范围内的不断普及，SiC有巨大的机会继续增长。此外，电动车数量的急剧增加将需要一个快速和高效的充电基础设施网络，以满足用户的需求，使他们能够快速完成他们的旅程，没有里程焦虑。
特斯拉等行业参与者已经展示了SiC的优势，以及市场对更高续航能力的需求，使许多车厂更加了解SiC的技术优势和SiC电驱系统的实施。
随着我们计划实现净零排放经济，并目睹更多的国家和公司承诺在2040年或更早之前淘汰化石燃料汽车，SiC的解决方案的进展将对创造改变游戏规则的创新至关重要，可以支持一个负责任和可持续的生态系统。
参考文章：What’s the Difference Between Silicon Carbide and Silicon? — Roveendra Paul, Thomas Neyer
来源：Astroys
