来源：微信公众号 更新时间2024-09-03 09:55:55
作为二十世纪最重要的新四大发明之一，也作为二十一世纪集成电路、芯片等载体的半导体，其重要性不言而喻。生活中小到手机、电脑，大到汽车、移动通讯等电子产品、设备，都与其无不相关。半导体材料作为半导体产业链上中游的重要组成部分，自然在半导体产品生产制造起到关键性作用。 以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体具备耐高压、耐高温、低损耗等特性，符合当前功率半导体器件的应用需求，正在逐步成长为市场聚焦的新赛道。 一、什么是碳化硅（SiC）？ 碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。 相比传统的硅材料（Si），SiC满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。 二、SiC的特点 耐高温 碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍，在高温下电子不易发生跃迁，可耐受更高的工作温度，且碳化硅的热导率是硅的4-5倍，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度，同时降低对散热系统的要求，使终端更加轻量和小型化。 耐高压 碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，能够耐受更高的电压，更适用于高电压器件。 耐高频 碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高器件的开关频率，实现器件小型化。 低能量损耗 碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，碳化硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流，功率损耗降低；此外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低。 更小的尺寸 由于第三代半导体功率器件的高频率特性，可以减小磁性元件和电容的尺寸，从而实现更紧凑的电源设计。 综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。 三、新能源汽车OBC.DC-DC应用 随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的运用与地位越来越高。汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。 目前市售电动车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，采用Si IGBT技术的功率模块仍在电动汽车应用中占主导地位。由于电动车电压平台正在从400V向800V以上的高电压发展，相较于Si IGBT，SiC MOSFET凭借“耐高压”、“耐高温”、和“高频”特点，在高压系统中有望快速替代Si IGBT，从而大幅提高汽车性能并优化整车架构，使新能源汽车具有更低的成本、更长的续航里程、更紧凑的空间设计以及更高的功率密度。 目前，车规级SiC功率器件主要应用于主驱逆变器、OBC、充电桩等场景。在主驱逆变器、OBC、DC-DC以及直流充电桩模块中，SiC MOSFET有望对Si IGBT加速替代。 碳化硅在汽车领域主要用于：主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和非车载充电桩！据专业公司预测：到2026年汽车中逆变器所占据的碳化硅价值量约为83%，是电动汽车中价值量最大的部分。 车载充电机（OBC）：车载充电机（OBC）是将交流充电桩输出的交流电转换为直流电输送到动力电池包中，典型电路结构由前级PFC电路和后级DC/DC输出电路两部分组成，充电功率范围从3.3kW至22KW，可支持双向流动。 DC-DC转换器可以将电池中的800V（400V）高压转换为12V低压，输送至低压系统中，功率约为3KW。应用碳化硅获得更快的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。 OBC二极管和开关管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要应用的功率器件。采用SiC替代可实现更低损耗、更小体积及更低的系统成本。采用全SiC MOSFET方案的22kW双向OBC，可较Si方案实现功率器件和栅极驱动数量都减少30%以上，且开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。 SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率，而Si OBC仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率。同时，进一步拆分成本，由于SiC器件的性能可减少DC/DC模块中所需大量的栅极驱动和磁性元件。因此，尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，SiC基功率器件的成本更高，但整体全SiC方案的OBC成本可节约15%左右。 四、旷通半导体 旷通半导体积极拥抱SiC宽禁半导体新兴市场，持续跟进SiC产品研发。注重技术创新，进一步打开家电、工业、光伏、新能源汽车等应用领域，助力汽车行业迈向更高的技术水平！ 旷通作为深耕高压大电流功率器件平台，大力开拓国内外汽车工业市场，将通过不断创新，突破高可靠芯片设计、电流密度增强等碳化硅MOSFET芯片关键技术，形成650V-1200V大电流碳化硅MOSFET器件系列产品，关键指标达到国际先进水平。
