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最大变革。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最大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。这些产业的未来绝对不会是一成不变的，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。
