描述

電力正朝向碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）材料發展。儘管矽仍佔據市場主導地位，但 SiC 和 GaN 裝置很快就會催生新一代更有效率的技術解決方案。總部位於法國的市場研究機構 Yole Dé 表示； Veloppement預計，到2025年，SiC元件的營收將佔整個電力電子市場的10%以上，GaN元件的營收將超過2%。SiC元件的知名供應商包括義法半導體（ST）、Cree/Wolfspeed、Roma、英飛凌、安森美半導體和三菱馬達。Cree推出首款商用900V SiC功率MOSFET與Wolfspeed 650V SiC MOSFET產品組合； Microchip、ROHM均推出了SiC MOSFET和二極體； 飛凌推出了八款650V CoolSiC MOSFET元件。 。 .. 。 由此可見，各大廠商在SiC材料方面都有自己的佈局與發展策略。碳化矽相對矽的性能優勢是什麼？長期以來，矽一直是大多數電子應用中的關鍵半導體材料，但與碳化矽相比，其效率較低。 如今，SiC已被許多應用，特別是電動車所採用，以應對開發高效率和高功率裝置的能源和成本挑戰。SiC由純矽和碳組成。與矽相比，SiC具有三大優勢：更高的臨界雪崩擊穿場強、更高的熱傳導率和更寬的禁帶寬度。SiC具有3電子伏特(eV)的寬帶隙，可以承受比矽大8倍的電壓梯度而不發生雪崩擊穿。 帶隙越寬，高溫下漏電流越小，效率越高。 熱導率越大，電流密度越高。

圖1：碳化矽與矽相比的性能優勢

SiC基板具有較高的電場強度，因此可以採用更薄的基底結構，其厚度可能僅為矽外延層的十分之一。 另外，SiC的摻雜濃度比矽高2倍，因此裝置的表面電阻降低，導通損耗也顯著降低。SiC已被公認為可以可靠地取代矽的技術。 許多功率模組和功率逆變器製造商都計劃在未來的產品路線圖中使用SiC技術。這種寬頻隙技術大大降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗，改善了散熱管理，並提供了前所未有的能源效率。 在電力電子系統中，散熱設計非常重要，可以確保高能量密度並減少電路尺寸。 在這些應用中，SiC是一種理想的半導體材料，因為它的熱傳導率是矽半導體的三倍。SiC技術適用於高功率項目，如馬達、驅動器和逆變器。 電動驅動器製造商正在開發新的驅動電路，以滿足轉換器對更高開關頻率的需求，並採用更複雜和巧妙的拓撲來降低電磁幹擾（EMI）。SiC裝置需要更少的外部元件、更可靠的系統佈局和更低的製造成本。 效率更高、整體尺寸更小、重量更輕，智慧設計的冷卻需求也相應降低。碳化矽的應用

電動車/混合動力車

多家汽車製造商已率先利用新的動力概念在市場上推出混合動力和電動車。 這些車輛包含新的設備和系統，例如用於為引擎提供動力的變頻器（高達300kW）、3.6kW至22kW汽車電池充電器、3.6kW至22kW感應充電器（無線充電）、高達5kW的DC/ DC轉換器以及逆變器用於空調和動力轉向系統等輔助負載。高壓電池是混合動力和電動車發展的主要障礙之一。 使用SiC，汽車製造商可以縮小電池尺寸並降低電動車的總成本。此外，由於SiC具有良好的散熱性能，製造商還可以降低冷卻動力總成元件的成本。 這有助於減輕電動車的重量和成本。電動車/混合動力車也是安森半導體SiC策略重點市場之一。 在近日舉行的「安森半導體碳化矽策略與方案」線上媒體交流會上，該公司電源方案部產品行銷經理王利民表示，電動車是碳化矽的主要驅動力之一，約佔碳化矽市場總容量的60%。 碳化矽元件應用於主驅動、OBC和DC-DC可以大幅提高效率，因此可以增加電動車的續航力。 基於這些優勢，目前幾乎所有主驅動逆變器廠商都以碳化矽作為主驅動方向。

圖2：電動車是碳化矽的主要驅動力之一。

車用充電器內含有各種電源轉換器件，例如二極體、MOSFET等。 其目標是利用小尺寸的被動元件來縮小電力電子電路的體積，從而將它們整合在一起。如果所使用的半導體元件可以在同一電路中以高開關頻率進行控制，則可以實現這一目標。 但由於矽的散熱性能較差，高開關頻率的方案並不適用。 SiC MOSFET為此類應用提供了理想的解決方案。目前大多數OBC和DC-DC製造商都採用碳化矽元件作為高效率、高壓、高頻功率元件。以王利民為例，加州簽署行政命令，實現5年2030萬輛電動車上路的目標；歐洲也有所有電動車取代燃油汽車的時間表；在中國主要一線城市，電動車可以免費上牌。所有這些政策都促進了電動車的大幅成長，而電動車對高壓、高頻、高效能元件的需求也推動了碳化矽市場的大幅成長。5G電源及開關電源5G電源和開關電源（SMPS）領域是安森半導體碳化矽的第二個策略市場。傳統的開關電源領域是Boost和高壓電源，一直以來對功率密度都有很高的要求。從最早的通訊電源金標準、銀標準，到現在的5G通訊電源、雲端資料中心電源，這些都對高能源效率有很高的要求。「碳化矽元件無反向恢復，這使得電源節能，可以達到98%。 而5G電源是目前碳化矽元件最傳統、規模相對較大的市場。 」 王利民說。

圖3：碳化矽可用於5G電源和開關電源。

電動車充電樁電動車充電樁也是我們碳化矽的戰略市場之一。 充電樁的方案很多，現在消費者最感興趣的是直流快充。直流快速充電的充電樁需要非常大的充電功率和非常高的充電效率，而這一切都需要透過高電壓來實現。在電動車充電樁應用中，無論是碳化矽在Boost或輸出二極體，使用碳化矽MOSFET做主開關的充電樁方案都有很多，其應用前景非常廣闊。

圖4：電動車充電樁也是碳化矽的一個應用領域。

太陽能逆變器

在太陽能逆變器領域，碳化矽二極體的使用量也很大。 太陽能逆變器的安裝量逐年增加，預計未來15~1年10%的能源（目前為15%）將來自太陽能。 太陽能是免費且取之不盡用之不竭的。 國內政策已經出台，個人可以向國家電網出售太陽能。「碳化矽半導體可應用於太陽能逆變器的Boost。 隨著太陽能逆變器成本的最佳化，許多廠商會採用碳化矽MOSFET作為逆變器的主要元件，取代原有的三電平（逆變）控制複雜電路。 」 王利民表示，「在政策驅動方面，歐盟有一個20-20-20目標，即到2020年，能源效率提高20%，二氧化碳排放量減少20%，再生能源將達到20%。 國家能源局也制定了清潔能源目標，到20年滿足中國2030%的能源需求。

圖5：碳化矽在太陽能逆變器的應用

標籤

長期可靠性已經成為SiC MOSFET的標誌。 半導體製造商的下一個任務是開發多晶片功率模組或混合模組，將傳統矽電晶體和SiC二極體整合在同一實體設備上。 具有更高的擊穿電壓，這些模組可以在更高的溫度下工作。 它們還可以提供高效率，同時進一步減小設備尺寸。從目前市場價格來看，SiC MOSFET較矽IGBT具有系統級優勢，且隨著150mm晶圓製造的廣泛採用，預計SiC MOSFET價格將持續下降。一些製造商已經開始生產200毫米（8吋）晶圓。 隨著晶圓尺寸的增加，每個晶片的成本會降低，但良率也可能會降低。 因此，製造商必須不斷改進其製程。但由於SiC裝置製造成本較高且缺乏量產，因此難以廣泛應用。 SiC 裝置的大規模生產需要精心設計的穩健架構和製造流程。例如，在晶圓測試中，要求被測器件尺寸較小，工作在更高的電流和電壓範圍。一旦這些問題得到解決，OEM設計人員將採用更多的SiC裝置，充分利用其良好的電氣特性，大幅降低系統成本並提高整體效率。

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