更上一層樓，推動SiC電氣化我們的半導體未來將如何提升汽車和其他產業的性能？ Cree公司Wolfspeed技術長John Palmour

許多電源系統正在從矽（Si）技術轉變為碳化矽（SiC）技術。這將是自1980年代雙極型半導體轉向絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）轉變以來，功率半導體產業經歷的最大變革。在這場變革的同時，受其影響的眾多產業也正在經歷一段不尋常的全面轉型期。從汽車工業到太陽能，碳化矽（SiC）的優勢已逐漸顯現。在經歷巨大變革的同時，各大廠商都在努力將碳化矽（SiC）進一步融入自身技術。

汽車工業是現代工業發生前所未有的變革的典型例子。未來十年，汽車產業將從內燃機轉變為電氣化。從矽（Si）到碳化矽（SiC）的轉變在幫助電動車滿足消費者的需求方面發揮重要作用，同時也能滿足政府對氣候變遷影響的規定。碳化矽（SiC）解決方案正在助力電動車“更上一層樓”，升級快速充電基礎設施、驅動逆變器和電源等應用，並推動電信、航空航天應用的進步。

圖 1. 實驗室中的 Cree 員工

電動汽車機會

隨著消費者需求的不斷增長以及政府監管的加強，特斯拉、福特、大眾等汽車製造商宣布未來十年將在電動車領域投資超過300億美元。分析師預測，到2030年，純電動車（BEV）的數量將達到汽車總量的15%。因此，未來幾年，電動車碳化矽（SiC）元件市場將呈指數級成長。

電氣化如此重要，製造商不能再對碳化矽 (SiC) 的優勢視而不見。與傳統電動車採用的矽（Si）技術相比，碳化矽（SiC）可增加電池壽命、提高其性能並縮短充電時間。因此，已有多家供應商宣布與Cree合作開發電動車計畫。例如，德爾福科技正在開發一種使用碳化矽（SiC）半導體的更高效、更小、更輕的逆變器系統，而採埃孚集團正在開發全電動驅動動力系統。 ABB集團正在開發並提供使用碳化矽（SiC）的各種電力系統。

效率提升

碳化矽（SiC）的開關損耗遠低於矽（Si）基IGBT。此外，碳化矽元件沒有內建電壓，其導通損耗明顯較低。因此，碳化矽（SiC）具有更高的功率密度、更輕的重量和更高的工作頻率。在最近的汽車測試中，與矽（Si）相比，Cree的碳化矽（SiC）技術將逆變器損耗降低了約78％。在汽車領域，這些效率改進可應用於動力總成解決方案、電源轉換器以及非車載充電器和車載充電器。與傳統的矽（Si）基解決方案相比，碳化矽（SiC）可將電動車的整體效率提高5％至10％。製造商可以利用這一點來增加續航里程或減少笨重且昂貴的電池的使用。

此外，碳化矽（SiC）還可降低冷卻需求、節省空間，且其重量比矽（Si）基方案更輕。碳化矽（SiC）還可提供對快速充電器的支持，目前充電75分鐘即可增加5英里的續航里程。

碳化矽（SiC）解決方案成本的持續下降，導致其採用率進一步提高。以汽車為例，我們估計電動車使用的碳化矽（SiC）元件的價值約為 250 至 500 美元（取決於其功率需求）。汽車製造商在電池成本、電池和逆變器的體積和重量以及每輛電動車的冷卻要求等方面節省的總成本可高達 2,000 美元。儘管有許多因素推動矽（Si）向碳化矽（SiC）的轉變，但這是關鍵。

汽車產業以外

汽車產業的需求約佔Cree 9億美元碳化矽（SiC）市場機會的一半，而太陽能、航空航太和通訊基礎設施領域則是其他需求的主要驅動力。根據Canaccord Genuity公司最近的預測，到2030年，碳化矽（SiC）的需求將超過20億美元。

圖2. Cree 650V MOSFET

碳化矽（SiC）功率元件還可以幫助工業和能源企業最大限度地提高電力和太空的利用率。碳化矽（SiC）賦予高頻工業電源、不間斷電源更高的效率、更高的功率密度、更輕的重量。 SiC帶來的好處遠遠超過自身的成本。

在這些領域，更高的效率意味著更高的利潤。在電力電子領域，碳化矽（SiC）的效率遠高於矽（Si），其功率密度是矽（Si）的三倍，這使高壓系統更輕、更小、更有效率、更具成本效益。這種優異的表現已經達到了爆發點，廠商要想在當前市場保持競爭力就不能再對此視而不見。

半導體的未來

成本是採用碳化矽（SiC）的主要障礙。但隨著產量和體驗的不斷提升，其成本也不斷降低。因此，其製造變得更加高效和精細。更重要的是，客戶已經意識到碳化矽（SiC）的真正價值在於系統級，而不是設備級的比較。為了滿足各行業的需求，碳化矽（SiC）的製造將進一步推廣，產量將持續增加，因此其價格將持續下降。以Cree為例，為了滿足這些需求，Cree進行了大規模的投資，包括在紐約州建造採用尖端技術、符合車規標準的工廠，將產能提升至30年的2017倍以上。

從矽（Si）到碳化矽（SiC）的轉變已經不再是一個是否會發生以及何時發生的問題。我們已經身處其中。能夠全身心地參與到眾多行業的巨大變革中是令人興奮的。這些產業的未來永遠不會一成不變，我們必將繼續看到前所未有的變化。而那些能夠快速適應這些變化的製造商必將收穫豐碩的成果。