石油天然气 SST-PFB-CLX 丰富的组合功能

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图 1：半导体对许多新兴绿色科技至关重要

毋庸置疑，从社会发展的角度，我们必须转向采用可持续的替代方案。日益加剧的气候异常和极地冰盖的不断缩小，清楚地证明了气候变化影响的日益加剧。但有一个不幸的事实是，摆脱化石燃料正被证明极其困难，向绿色技术的转变也带来了一系列技术挑战。无论是生产要跟上快速扩张的市场步伐，还是新解决方案努力达到现有系统产出水平，如果我们要让化石燃料成为过去，这些难题都必须被克服。

对于电动汽车（EV）和太阳能电池板等应用，工程师面临着更多的挑战，因为敏感的电子元件必须在恶劣的环境中持续可靠地运行。为了进一步推动这些可持续解决方案，我们需要在元件层面进行创新，以帮助提高整个系统的效率，同时提供更强的稳健性。碳化硅（SiC）半导体作为一种能够实现这些必要进步的技术，正迅速成为人们关注的焦点。

什么是碳化硅半导体？

作为第三代半导体技术的一部分，SiC解决方案具有宽禁带（WBG）特性，并提供了更高水平的性能。与前几代半导体相比，价带顶部和导带底部之间更大的禁带增加了半导体从绝缘到导电所需的能量。相比之下，代和第二代半导体转换所需的能量值在0.6 eV 至 1.5 eV 之间，而第三代半导体的转换所需的能量值在 2.3 eV 至 3.3 eV 之间。就性能而言，WBG 半导体的击穿电压高十倍，受热能激活的程度也更低。这意味着更高的稳定性、更强的可靠性、通过减少功率损耗实现更好的效率以及更高的温度上限。

对于需要出色的高功率、高温和高频率性能的电动汽车和逆变器制造商来说，SiC 半导体代表着令人兴奋的前景。但实际上，这种性能如何体现，半导体行业又如何做好准备以满足潜在需求呢？

用于电动汽车的SiC

在电动汽车及其配套充电网络中，高性能半导体是AC-DC充电站、DC-DC快速充电桩、电机逆变器系统和汽车高压直流至低压直流变压器的核心。SiC 半导体将致力于优化这些系统，提供更高的效率、更高的性能上限和更快的开关速度，从而缩短充电时间，更好地利用电池容量。这可以增加电动汽车的续航里程或缩小电池体积，从而减轻车辆重量和并降低生产成本，同时提高性能，促进更广泛的普及。

尽管比内燃机驱动的同类产品运行温度低，电动汽车对电力电子器件来说仍然是一个极为严苛的环境，热管理是设计人员必须考虑的关键因素。对于许多早期的硅和绝缘栅双极晶体管(IGBT) 器件来说，电动汽车内的运行条件可能会导致其在车辆使用寿命内发生故障。碳化硅解决方案的热极限要高得多，热传导率平均高出 3 倍，因此更容易将热量传递到周围环境中。这就提高了可靠性，降低了冷却要求，进一步减轻了重量并消除了封装方面的顾虑。

碳化硅技术所带来的峰值额定电压和浪涌电容的提高，也为旨在缩短充电时间和减轻汽车重量的制造商提供了支持。通常情况下，大多数电动汽车基础设施的电压范围在200 V 至 450 V 之间，但汽车制造商正在通过将电压范围提高到 800 V 来进一步提高性能。实现这一转变的是高端车型保时捷Taycan ，但越来越多的制造商正在效仿现代汽车近发布的 Ioniq 5，该车目前采用 800 V 充电电压，而且零售价大大降低。

但这一转变背后的原因是什么呢？800 V 系统具有多种优势，例如充电时间更快、电缆尺寸减小（由于电流更小）以及导通损耗减少，所有这些都有助于节省生产成本并提高性能。目前，快速充电系统依赖于昂贵的水冷电缆，而这种电缆可以被淘汰，同时，在车辆内部，较小规格的电缆可以大大减轻重量，增加车辆的续航里程。对一些制造商而言，要想获得所需的性能提升以说服消费者采用电动汽车，就必须将电压提升到800 V，但这一发展只有通过使用碳化硅半导体才能实现。现有的第二代半导体根本不具备在电动汽车及其充电基础设施的恶劣环境中以如此高电压工作所需的性能和可靠性。

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