硅是半導(dǎo)體的傳統(tǒng)材料，但其近親碳化硅（SiC）最近已成為激烈的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。碳化硅的特性特別適合高溫、高壓應(yīng)用。它提供了更高的效率，并擴(kuò)展了功率密度和工作溫度等領(lǐng)域的功能。

這種獨(dú)特的材料有助于使電源更小、更高效。讓我們來(lái)探討一下這是如何發(fā)生的，以及碳化硅在電源領(lǐng)域能提供什么。

什么是電源應(yīng)用中的碳化硅？

與硅相比，碳化硅有六大優(yōu)勢(shì)，例如：

高能效

低功耗和開(kāi)關(guān)損耗

高導(dǎo)熱性

高工作頻率和高溫度

出色的熱管理和抗熱震性

使用壽命長(zhǎng)

這些優(yōu)點(diǎn)使碳化硅成為各行各業(yè)電源應(yīng)用的理想材料。使用碳化硅的兩種常見(jiàn)電源元件是二極管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。

碳化硅在電源中的作用

碳化硅在電源中如此有用的主要原因之一是它作為一種寬帶隙材料。具有寬禁帶的材料在將電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶之前需要更多的能量。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，材料就會(huì)變成導(dǎo)體。硅的帶隙僅為1.12電子伏特（eV），而SiC的帶隙為3.2 eV。更寬的帶隙意味著SiC可以在更薄的設(shè)計(jì)中承受與硅半導(dǎo)體相同的電壓。

碳化硅的薄材料為電源提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它減少了導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)的損耗，從而提高了開(kāi)關(guān)速度并減少了熱量，從而實(shí)現(xiàn)了更小、更高效、更持久的電源。

幾乎每個(gè)行業(yè)都受益于這些緊湊、高效的電源，因?yàn)閷?duì)自動(dòng)化設(shè)備和數(shù)據(jù)收集等技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)。工業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心和其他高熱、高電壓用戶對(duì)碳化硅特別感興趣，碳化硅可以顯著降低運(yùn)行和冷卻設(shè)施的成本（這些設(shè)施通常24/7全天候運(yùn)行），同時(shí)充分利用寶貴的空間。

隨著時(shí)間的流逝，碳化硅還可以提高性能，因?yàn)樗梢院芎玫爻惺軣釕?yīng)力。更高的效率有助于最大限度地減少熱量，使SiC具有更長(zhǎng)的使用壽命并使其更可靠。這些特性在要求苛刻或任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中特別有用，例如加固型電源或軍事設(shè)備。

碳化硅在電源中的5大優(yōu)勢(shì)！

使用碳化硅功率器件的好處是廣泛的，影響著從工作溫度到設(shè)計(jì)靈活性的方方面面。碳化硅的優(yōu)點(diǎn)包括：

提高效率：SiC可實(shí)現(xiàn)高于97%的功率轉(zhuǎn)換效率，幫助用戶和設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)。降低成本的最佳方法之一是首先避免使用電力，而SiC可以提供極大的幫助。它允許用戶在一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)中滿足內(nèi)部對(duì)降低成本的需求，以及外部質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和政府法規(guī)。許多碳化硅電源可以滿足80 Plus鈦金標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)降低成本。

節(jié)省成本：降低能耗是碳化硅電源為用戶節(jié)省資金的主要方式之一，但它們也可以通過(guò)更小的占地面積和更高的可靠性來(lái)節(jié)省成本，從而限制停機(jī)時(shí)間并實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。強(qiáng)大的導(dǎo)熱性和效率也減少了對(duì)冷卻組件的需求。

提高功率密度：由于其高效率和低熱量，SiC可以大大提高功率密度，特別是在高壓應(yīng)用中。這些緊密封裝的設(shè)計(jì)非常適合在不犧牲性能和功耗的情況下構(gòu)建更小、更輕的電源。

提高可靠性：碳化硅可以處理高工作溫度和高電壓。它可承受高達(dá)200攝氏度的環(huán)境，通常與場(chǎng)內(nèi)效應(yīng)晶體管一起使用，應(yīng)用電壓高達(dá)10千伏。其高效的性能也使其使用壽命長(zhǎng)。許多要求苛刻的應(yīng)用都受益于基于SiC的電源的可靠性。

改進(jìn)的多功能性：憑借其高功率密度和在高溫、高壓環(huán)境中的高效運(yùn)行，SiC被用于各行各業(yè)和設(shè)備，以提供功能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，以平衡靈活性和功率密度需求。碳化硅在工業(yè)安裝中具有非凡的價(jià)值，但許多行業(yè)，如航空航天和醫(yī)療保健，也受益于碳化硅應(yīng)用的靈活性和堅(jiān)固性。

SiC與Si在電源應(yīng)用中的比較

硅已經(jīng)存在了幾十年，許多設(shè)計(jì)師都依賴它作為一種久經(jīng)考驗(yàn)的材料。雖然它在低功耗應(yīng)用中運(yùn)行良好，但在使用高功率設(shè)備時(shí)，它的局限性變得很明顯。在硅開(kāi)始分解的地方，碳化硅繼續(xù)前進(jìn)。由于其寬禁帶，它可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。

雖然硅的工作溫度高達(dá)150攝氏度，但SiC可以額外高出50攝氏度。它可以支持比硅高10倍的開(kāi)關(guān)頻率和電壓。

在許多情況下，硅會(huì)降低在高擊穿電壓下可能發(fā)生的導(dǎo)通電阻。但是，這會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗和發(fā)熱問(wèn)題。這些問(wèn)題阻礙了硅在高頻應(yīng)用中的有效性。碳化硅可以在高電壓和高速下提供這些低導(dǎo)通電阻。

碳化硅大放異彩的一些領(lǐng)域包括：

電動(dòng)汽車充電：電動(dòng)汽車充電站具有獨(dú)特的電力需求，包括高效率、堅(jiān)固性、雙向能量流和高功率密度。SiC的快速開(kāi)關(guān)可以減少所需的組件數(shù)量，并在更小的空間內(nèi)提供更多的功率，非常適合從一個(gè)站點(diǎn)為多輛車充電。

功率因數(shù)校正：提高電源的功率因數(shù)可以平滑短而高幅度的脈沖，從而更有效地利用輸入功率。SiC的高頻功能有助于減小功率因數(shù)校正的元件尺寸和數(shù)量，從而降低成本、功率密度和熱管理。

數(shù)據(jù)中心電源：服務(wù)器使用大量電力并持續(xù)運(yùn)行。碳化硅的高效率可以轉(zhuǎn)化為顯著的成本節(jié)約和能源使用，隨著數(shù)據(jù)需求的攀升，這一點(diǎn)變得越來(lái)越重要。

工業(yè)應(yīng)用：工業(yè)設(shè)備通常依賴于SiC可以提供的高電壓和高速度來(lái)實(shí)現(xiàn)卓越的精度和功率，從而實(shí)現(xiàn)可靠的操作。

可再生能源：隨著可再生能源領(lǐng)域的發(fā)展，碳化硅提供了一種有吸引力的方式來(lái)幫助滿足高電壓、高功率需求，而無(wú)需轉(zhuǎn)向化石燃料或核能。通過(guò)以低成本和更低的復(fù)雜性適應(yīng)這些應(yīng)用，碳化硅有助于使可再生能源成為更可行的解決方案，并允許許多用戶限制其功耗。

無(wú)錫國(guó)晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無(wú)錫市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

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審核編輯：湯梓紅