中國粉體網(wǎng)訊 碳化硅具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速率等顯著特征，可以滿足科技發(fā)展對高溫、高功率、高壓、高頻等復(fù)雜場景的器件要求，在電力電子、新能源汽車、能源存儲、智能制造、光伏、軌道交通等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，可謂“萬物皆可碳化硅”。
碳化硅在新能源汽車中的應(yīng)用
在新能源汽車領(lǐng)域，碳化硅技術(shù)的應(yīng)用正成為提升電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車性能的關(guān)鍵。碳化硅器件以其高熱導(dǎo)率、高擊穿電場強(qiáng)度和優(yōu)異機(jī)械性能，顯著提升了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的效率和可靠性。
在汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，碳化硅器件的應(yīng)用極為顯著，特別是在電機(jī)控制器中。這些器件極大提升了功率密度和轉(zhuǎn)換效率，使得功率密度增加超過30%，效率接近99%。這對于提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力和動(dòng)力性能至關(guān)重要。碳化硅器件的耐高溫特性也確保了電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。
碳化硅在智能駕駛與車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
在智能駕駛與車聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展中，碳化硅技術(shù)憑借其卓越性能，正逐步滲透到傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊等關(guān)鍵領(lǐng)域，顯著提升系統(tǒng)性能和可靠性。
傳感器系統(tǒng)作為智能駕駛的“眼睛”和“耳朵”，碳化硅材料的高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)，確保了傳感器在極端溫度條件下的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了其可靠性并延長了使用期限。某知名汽車制造商在其智能駕駛車型中采用碳化硅基激光雷達(dá)傳感器，探測距離提升20%，高溫環(huán)境下誤差率降低30%。
研究指出，使用碳化硅MOSFET的數(shù)據(jù)處理單元（DPU）在能耗上減少了大約40%，并且在處理速度上提升了約15%，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的即時(shí)反應(yīng)能力和穩(wěn)定性。而DPU正是智能駕駛系統(tǒng)的“核心”。
有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用碳化硅二極管的通信模塊能夠?qū)⑿盘杺鬏斔俣忍岣?5%，同時(shí)將信號衰減率減少18%，從而顯著提升了車輛與云端之間的數(shù)據(jù)交換能力。
碳化硅在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用
在光伏系統(tǒng)中，核心設(shè)備如逆變器、MPPT控制器和儲能變換模塊對功率器件提出了高效率、高耐壓、高溫工作能力以及小型化等多重要求。傳統(tǒng)硅器件在高壓、高溫環(huán)境下效率下降明顯，難以支撐光伏電站日益增長的功率密度需求。碳化硅功率器件具備更高的擊穿電壓、更低的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度，可顯著提升功率轉(zhuǎn)換效率并減少系統(tǒng)發(fā)熱，從而簡化散熱設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)能耗。尤其是在1500V組串、光儲融合、高溫或高頻工況下，其系統(tǒng)級優(yōu)勢尤為明顯。
舉例來說，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，采用SiC MOSFET的組串式逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從約97.5%提升至98.7%以上，且使整機(jī)體積縮小30%；而在高頻DC-DC轉(zhuǎn)換中，磁性元件尺寸顯著減小，提升了模塊集成度；在高溫地區(qū)部署的電站中，碳化硅器件的高熱穩(wěn)定性帶來了更長的系統(tǒng)運(yùn)行壽命。
碳化硅在5G通信中的應(yīng)用
在無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)等應(yīng)用中，射頻器件作為信號傳輸與處理的核心，其性能對系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。以半絕緣型碳化硅為基礎(chǔ)的射頻器件因其寬禁帶特性，具有低損耗、高頻寬、高功率密度等優(yōu)勢，成為下一代5G及軍工通信系統(tǒng)的重要支撐。
碳化硅在軌道交通中的應(yīng)用
碳化硅能夠適應(yīng)更高的電壓及溫度，同時(shí)降低能量損耗，從而可開發(fā)更有效、更小型的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，例如列車所用的牽引變流器�？商岣吖β拭芏�，減輕總重量，有助于降低能耗，提高列車的速度及可靠性。通過采用碳化硅，軌道交通系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高的效率及更佳的運(yùn)行性能，從而促進(jìn)更經(jīng)濟(jì)及可持續(xù)的軌道運(yùn)營。
碳化硅在電網(wǎng)中的應(yīng)用
碳化硅可通過提高輸配電的效率及容量顯著增強(qiáng)電網(wǎng)。碳化硅襯底能夠在更高的溫度、電壓及頻率下運(yùn)行，使轉(zhuǎn)換器、開關(guān)設(shè)備及變壓器等器件更小型、更高效，從而減少能源損耗，提高電力質(zhì)量。例如，在相同的電壓及轉(zhuǎn)換頻率下，采用碳化硅的MOSFET逆變器與硅基IGBT逆變器相比，能量損耗顯著降低。碳化硅的高導(dǎo)熱性減少了散熱及維護(hù)需求，降低了運(yùn)行成本，提高了可靠性。
碳化硅在家電中的應(yīng)用
在PFC電路、升壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及高壓電源中使用碳化硅可提高家電的能源轉(zhuǎn)換效率，從而提升其能源性能和效率并減少家庭用電量。碳化硅襯底使功率半導(dǎo)體器件能夠提高電源的功率密度，并減小散熱器的尺寸，從而降低家電磁性元件和熱管理部件的體積和成本，促進(jìn)家電產(chǎn)品的小型化。
碳化硅在低空飛行器中的應(yīng)用
以eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）為代表的新型航空器成為全球低空經(jīng)濟(jì)角逐的焦點(diǎn)，有望成為萬億級產(chǎn)業(yè)新賽道。SiC MOSFET器件通過效率躍升與輕量化革新，正推動(dòng)eVTOL從實(shí)驗(yàn)階段邁向商業(yè)化運(yùn)營。SiC MOSFET器件已成為eVTOL電力系統(tǒng)的核心組件，其性能提升與成本下降將推動(dòng)行業(yè)進(jìn)入規(guī)�；瘧�(yīng)用階段。未來3-5年，隨著8吋晶圓量產(chǎn)、車規(guī)級認(rèn)證普及及國產(chǎn)供應(yīng)鏈成熟，SiC器件在eVTOL中的滲透率或?qū)⒋蠓嵘?br/>
碳化硅在人工智能（AI）中的應(yīng)用
電力正在成為威脅人工智能（AI）進(jìn)步的最新瓶頸，而人工智能迅猛增長的算力背后，攀升的能源占用也正在大量擠占正常的社會(huì)用能需求。以美國的數(shù)據(jù)中心為例，到2030年可能會(huì)消耗高達(dá)9%的全美發(fā)電量，大致相當(dāng)于40座中等規(guī)模核電廠的年發(fā)電量。
如此規(guī)模的用電量，如果能降低哪怕0.1%的能耗都是一個(gè)巨大的數(shù)字。為了幫助解決迫在眉睫的電力壓力，全球業(yè)界都在產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈積極探索所有可能，例如安森美開發(fā)了一系列新的硅溝槽功率MOSFET和SiC MOSFET。其Si和SiC MOSFET的組合可以將困擾數(shù)據(jù)中心電源的功率損耗減少多達(dá)1%，僅僅用于數(shù)據(jù)中心，每年可以節(jié)省高達(dá)10 TWh的電力，而且可以使其在更小的面積內(nèi)具有更高的效率和更好的熱性能。
碳化硅在AR眼鏡中的應(yīng)用
AR眼鏡成為SiC新興應(yīng)用市場。采用SiC材料制備的光波導(dǎo)片通過高折射率和熱導(dǎo)率兩大特性，有效解決了AR眼鏡視場角窄、彩虹偽影及散熱難題。有機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)2030年AR眼鏡銷量將達(dá)4000萬臺，其中85%采用光波導(dǎo)方案，而光波導(dǎo)中64%將使用SiC材料，經(jīng)測算2030年AR眼鏡領(lǐng)域8英寸SiC襯底需求將達(dá)520萬片。
碳化硅在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用
晶能微電子CEO潘運(yùn)濱認(rèn)為，碳化硅技術(shù)的爆發(fā)性增長源于新能源汽車的充電革命，而機(jī)器人產(chǎn)業(yè)有望成為第三代功率半導(dǎo)體下一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場景。機(jī)器人與新能源汽車在技術(shù)架構(gòu)上具有高度相似性。汽車芯片可遷移至機(jī)器人場景，但需適配差異化的性能要求。以功率半導(dǎo)體為例，除汽車系統(tǒng)外，其技術(shù)能力同樣適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。機(jī)器人這一新興市場對高效電能控制的需求正在快速增長。
展望
盡管碳化硅耐高壓、耐高頻、耐高溫，且低損耗，但在目前市場上，碳化硅的滲透率遠(yuǎn)低于硅。碳化硅性能如此優(yōu)秀，為什么滲透率這么低？業(yè)內(nèi)人士指出：“在未來很長的一段時(shí)間內(nèi)，碳化硅都只能攫取半導(dǎo)體材料中一塊不是很大的市場空間。我們在分析碳化硅時(shí)，切不可盲目樂觀�！标P(guān)于碳化硅，我們有以下幾點(diǎn)需要明確。
首先，未來碳化硅并不能全面替代硅。碳化硅的優(yōu)勢是耐高壓、耐高溫、低損耗，但這些優(yōu)勢在消費(fèi)電子產(chǎn)品中完全體現(xiàn)不出來。成本方面，碳化硅晶圓制備困難，成本過高，且刻蝕困難，因此無法全面替代硅材料。
其次，第三代導(dǎo)體材料包括碳化硅、氮化鎵等，二者的性能各有側(cè)重，碳化硅側(cè)重高壓，氮化鎵側(cè)重于高頻。兩種材料的競爭屬性不大，應(yīng)用場景也不盡相同。
參考來源：
天岳先進(jìn)招股說明書
陳雯：第三代半導(dǎo)體：能源轉(zhuǎn)換鏈中的革命
陳雯：新能源車?yán)瓌?dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)落地迎機(jī)遇
安森美、桑德斯
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