LinkedIn跟着碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等新资料连续运用在二极管、场效晶体管(MOSFET)等组件上，电力电子工业的技能大革命已揭开序幕。 这些新组件尽管在本钱上仍比传统硅组件高出一大截，但其开关速度、切换丢失等功用指针，也是硅组件难以望其项背的。 这些新一代组件的商品化，为电力电子工业打开了全新的运用或许性。
更高的功率密度与转化功率，是电力电子工业永久寻求的方针。 但是，在组件技能未有重大打破的状况下，电力电子设备制作商即使在电路规划上不断创新，提出各种先进拓扑架构，对电源体系带来的功率或功率密度进步作用仍是遇到瓶颈。
有鉴于此，许多电源相关芯片业者，现已将未来的产品开展重心放在碳化硅、氮化镓等新一代资料的运用导入上，期望藉由资料与芯片技能的根本性打破，让电力电子运用的功率密度、转化功率更上一层楼。
确定高功率运用 碳化硅开辟电力电子新边境
英飞凌(Infineon)工业电源操控工作处商场开发总监马国伟(图1)指出，碳化硅具有极佳的资料特性，能够显着下降开关损耗，因而电源开关的操作频率能够大为进步，然后使电源体系的尺度显着缩小。
图1 英飞凌工业电源操控工作处商场开发总监马国伟
他表明，在处理牢靠度疑虑之后，碳化硅现已在大功率电源运用商场上打下滩头堡。
至于在转化功率方面，相较于硅晶体管在单极(Unipolar)操作下无法支撑高电压，碳化硅即使是在高电压条件下，相同能够支撑单极操作，因而其功率丢失、转化功率等指针功用的体现，也显着优于硅组件。
不过，碳化硅资料尽管在电力电子运用上有许多优势，但其牢靠性仍是一大问题，由于4H-SiC在SiC-SiO2接口的缺陷密度很高，若选用平面DMOS结构，MOSFET信道中的电子散射效应会导致信道的电子迁移率下降，然后下降其功用体现。 要处理这个问题，当电流在顺向传输状况时，有必要对组件施加更高的电压，但如此一来氧化层会承受更大的压力。
也由于这个原因，SiC尽管早在十多年前就开端研讨，直到近年来开展出沟槽式(Trench) MOS结构，才使得SiC组件的牢靠度问题取得处理，然后促进各种商业运用呈现。 其间，又以各种大功率运用最适合导入SiC组件，由于其所带来的效益跟价值最为显着。
现在大功率电力设备八成仍以机械结构为主，因而造价昂扬，且产品适当粗笨，更需求常常修理。 为了改进这些缺陷，以电力电子为根底的新一代大功率电力设备，遂应运而生。 而碳化硅等新代代组件，则是在背面促进这股电力设备电子化不行或缺的功臣。
以往电力电子组件一般无法在动辄数百伏特、乃至上千伏特的高压条件下操作。 即使能够，功率也未必好，因而大功率电力设备只能选用以机械为主的规划。 但在碳化硅组件进入商业量产后，现在1,200伏特的高压电运用也可用电力电子的架构来规划，未来英飞凌更有意推出支撑1,700伏特的处理计划，以便满意更大功率的电力电子运用需求。 事实上，大功率电源设备的电子化，是现在电源相关工业最抢手的论题。 许多选用传统机械结构的电力设备，例如变压器，都在考虑改用电力电子计划。
此外，重型家电、电机驱动等运用范畴的产品制作商，对碳化硅计划也很有爱好，未来商机可望逐步发酵。 但这些运用跟电力电子的需求不同，未必能在很高的开关频率下运作，因而英飞凌未来会针对家电、电机驱动等运用范畴，开宣布对应的处理计划。
功率密度优势显着 电动车运用抢头香
尽管碳化硅组件可望成为推进电力设备由机械转向电子结构的重要推手，但现阶段碳化硅组件最首要的运用商场，其实是电动车。
马国伟指出，电动车运用之所以对碳化硅组件的需求如此深切，首要原因在于可完成更轻盈的电源体系规划，不管是车身上的动力总成(Powertrain)体系，仍是固定设备在路旁边或车库里的充电桩，导入碳化硅组件的进展都十分快。
对车载运用而言，设备的巨细跟分量十分要害。 若车上的逆变器(Inverter)、充电体系能做得越细巧，则电动车的电池续航力越高。 这是电动车厂商之所以对碳化硅处理计划趋之若鹜的首要原因。
至于在充电桩部分，带动碳化硅组件需求最首要的动力来自快速充电。 为了缩短电动车的充电时刻，进步电动车的实用性，快速充电已成充电桩的规范功用。 这个趋势使得充电桩的均匀输出功率快速拉升，现在支撑20kW、乃至25kW输出的电动车充电桩，现已开端呈现在商场上。
但是，电动车充电桩的尺度要求即使不像车载设备那么严厉，考虑到设备跟硬件制作本钱等问题，其外观尺度仍是会遭到必定的约束。 这使得电动车充电桩的功率密度需求添加，并促进相关业者放弃传统硅组件，转向碳化硅组件。
除了英飞凌之外，日系半导体业者罗姆(Rohm)，对碳化硅在电动车范畴的布局也十分活跃，更是电动方程序(Formula E)大赛车的首要技能协作伙伴之一。 日前在台北世界计算机展(Computex)期间，罗姆便揭露向外展现其为Formula E所研制的赛车用逆变器(图2)。
图2 罗姆运用碳化硅组件成功缩小了Formula E电动赛车的逆变器尺度。
藉由导入碳化硅组件，最新一代逆变器体积大为减缩超越三成，分量也更轻，让选用该逆变器的Venturi车队能够完成优化的车辆重心规划，并且选用碳化硅组件的逆变器能够在更高的温度下运作而不丢失其功率，这关于十分考究能源管理的电动方程序赛车而言十分要害。 罗姆表明，新一代逆变器的尺度之所以能大幅减缩，要害在于碳化硅组件的功率更高、开关速度更快，并且对高温的耐受度更好。 这三个特性让逆变器设备所运用的磁性组件跟散热片大幅削减，然后下降了设备的尺度跟分量，也让逆变器的总本钱得以维持在商场能够承受的规划。
手机快速充电带动氮化镓组件遍及
相较于碳化硅在大功率电力电子设备上攻城略地，氮化镓组件则是在小型化电源运用产品范畴逐步分散，与碳化硅组件连手改动电力电子工业本来由硅组件主导的格式。
德州仪器(TI)模仿IC运用司理萧进皇(图3)表明，氮化镓资料具有低Qg、Qoss与零Qrr的特性，能为高频电源规划带来功率进步、体积缩小与进步功率密度的优势，因而在服务器、通讯电源及便携设备充电器等范畴遭到商场适当不错的回响，运用需求也越来越多。
图3 德州仪器模仿IC运用司理萧进皇
他以为，氮化镓技能关于电源运用的小型化与功率密度进步，能带来十分显着的协助。
全体来说，现在氮化镓与碳化硅的运用分界点为600伏特。 600伏特以上的电力电子运用是碳化硅组件的全国，200∼600伏特则是氮化镓具有优势。 由这个运用分野不难看出，就出货数而言，氮化镓将具有先天优势，由于许多消费性电子产品都有时机运用到氮化镓组件。
近年来在消费性电源范畴引发论题的手机快速充电、USB-PD等技能，就是氮化镓组件能够大展身手的舞台。 和电动车的状况相似，快速充电也是智能型手机或便携设备用户十分欢迎的功用，而为了缩短电池充电时刻，充电器有必要用更高的电压或更大电流对电池充电。 但举动设备的充电器自身也属可携式产品，其外观尺度不能为了支撑快速充电而添加太多，于这使得充电器制作商有必要改用氮化镓组件来完成产品规划。
也由于消费性商场存在可观的潜在需求，相较于碳化硅组件基本上是整合组件制作商(IDM)的全国，氮化镓制程现已招引台积电等晶圆代工业者投入。 戴乐格(Dialog)就是与台积电协作，运用台积电规范化的650V硅上氮化镓(GaN-On-Silicon)制程技能，推出可大规划量产的处理计划。
不过，氮化镓阵营的业者也有闻名大功率运用的企图心。 研讨机构Yole Developpement便猜测，到2020年时，氮化镓组件将进军600∼900伏特商场，与碳化硅组件的竞赛联系升温。
单价偏高仍是遍及妨碍 发明经济规划成首务
但是，不管是氮化镓或碳化硅，由所以新资料、新制程，因而相关组件的价格至今仍比硅组件高出一截，构成导入妨碍。 因而，不管是英飞凌、罗姆、德州仪器或戴乐格，在营销推行的战略上，都是以价值诉求作为操作要点。
马国伟就坦言，碳化硅组件的价格大约是同级硅组件的3∼4倍之间，故许多客户在导入时会有必定疑虑。 因而，在商场营销推行上，英飞凌会优先确定硅组件无法切入或缺陷十分显着的商场优先布局，藉由发明经济规划的方法来改进碳化硅组件的本钱结构。
事实上，以英飞凌为例，现在该公司的碳化硅组件出产现已从4季г采级到6季г玻未来若商场需求持续生长，持续朝8迹乃至12季г沧进，也是有或许的。 而跟着晶圆尺度扩大，碳化硅组件的本钱将会比现在更有竞赛力。
罗姆则是从全体本钱的视点切入。 现在碳化硅组件的单价的确仍比传统硅组件高出数倍之多，但由于逆变器这类运用设备最首要的本钱来自散热片跟磁性组件，其间磁性组件的本钱占比更可高达40%。 因而，只要能节约磁性组件与散热片的运用量，即使碳化硅组件单价很高，从总本钱的视点来看，仍是有竞赛力。
相较之下，氮化镓与传统硅组件之间虽也有价差，但不像碳化硅与硅组件之间那么显着，因而能够用运用商场区隔的方法来操作。 萧进皇以为，现在德州仪器是以高阶、小型化电源体系运用作为氮化镓产品线确定的主力商场，因而会与硅组件有必定程度的天然区隔存在。
但全体来说，不管是氮化镓或碳化硅，终究都是要以硅组件作为参照点，其运用规划跟报价，都是越挨近硅组件，越能压服客户转向新技能。 要到达这个方针，尽管还需求一段时刻酝酿，但却不是遥不行及的愿望，在有量就有Cost Down的电子工业，只要能发明经济规划，报价松动就会紧接而来。
