我們似乎永無止境地需要以更高的效率交付的更多動(dòng)力，而且這種需求沒有盡頭。即使單個(gè)組件降低了運(yùn)行功率水平，它們所支持的系統(tǒng)也有望發(fā)揮越來越大的作用。因此，總功率需求正在增加，很容易超過單個(gè)組件所需功率的減少。

當(dāng)然，電力需求增長(zhǎng)的很大一部分是由于服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等大型設(shè)施造成的。然而，原因要廣泛得多。例如，電動(dòng)機(jī)正在向長(zhǎng)期由液壓動(dòng)力或內(nèi)燃機(jī)主導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。這包括電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（EV 和 HEV）以及大型機(jī)器人和重型建筑設(shè)備。

這些電力系統(tǒng)的工作室組件是硅基 MOSFET 和 IGBT。在過去的幾十年中，這兩種電源開關(guān)都取得了顯著改進(jìn)，其能力擴(kuò)展到高電壓和功率水平，并且靜態(tài) (R DS(ON) ) 和動(dòng)態(tài)（開關(guān)）損耗均有所降低。不過現(xiàn)在，這些努力已經(jīng)達(dá)到了回報(bào)與研發(fā)成本遞減的地步。

一個(gè)新的競(jìng)爭(zhēng)者變得非常真實(shí)

幸運(yùn)的是，有一種顛覆性的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，并且已經(jīng)足夠成熟，可以用于大規(guī)模安裝并達(dá)到其市場(chǎng)采用拐點(diǎn)。基于碳化硅 (SiC) 的開關(guān)設(shè)備（包括晶體管和二極管）正在重新定義電源相關(guān)電路的功能。與當(dāng)今最好的純硅 MOSFET、IGBT 和二極管相比，它們的效率和范圍要好得多，并且已經(jīng)在頂級(jí)數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器場(chǎng)中廣泛使用。

Yole Développement 于 2017 年 8 月發(fā)布的一份市場(chǎng)報(bào)告“Power SiC 2017：材料、設(shè)備、模塊和應(yīng)用”對(duì)這種情況給出了一些數(shù)字。他們的研究認(rèn)為，“SiC 技術(shù)的采用將在 2019 年加速，達(dá)到臨界點(diǎn)。” 該報(bào)告補(bǔ)充說：“……SiC 功率市場(chǎng)（二極管和晶體管）在 2015 年估計(jì)超過 2 億美元 (USD)，預(yù)計(jì)到 2021 年將超過 5.5 億美元，2015-2021 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 19%。SiC 二極管仍以 85% 的市場(chǎng)份額主導(dǎo)整個(gè) SiC 市場(chǎng)……這一領(lǐng)先地位在數(shù)年內(nèi)都不會(huì)改變。與此同時(shí)，碳化硅晶體管……應(yīng)該在 2021 年達(dá)到 27% 的市場(chǎng)份額。”

他們的采用通常具有降低成本、增加設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)建更全面的規(guī)范和驗(yàn)證可靠性數(shù)據(jù)的有益連鎖反應(yīng)。所有功率級(jí)都受益，從高壓交流電到中檔直流電，甚至個(gè)位數(shù)直流軌電壓。（請(qǐng)注意，在基于氮化鎵的功率器件中也有類似的吸收，但沒有那么大。）

碳化硅優(yōu)勢(shì)

基于 SiC 的功率 MOSFET 和二極管是寬帶隙 (WBG)固態(tài)器件，它們與純硅器件既相似又不同。（它們的帶隙在 2 到 4eV 的范圍內(nèi)，而硅的帶隙在 1 到 1.5eV 的范圍內(nèi)。）雖然基礎(chǔ)物理相當(dāng)復(fù)雜，但 WBG 材料至少在原則上能夠制造在顯著由于材料的固有特性，擊穿電壓和溫度更高（通常為 200° 至 300°C）。他們還通過更小、更輕的封裝和更高的效率實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

雖然更小、更輕的封裝的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，但為什么更高的電壓和溫度也是可取的呢？更高的電壓之所以具有吸引力，是因?yàn)樗鼈円恢币詠淼脑颍簩?duì)于相同的輸送功率 (P = VI)，它們可以降低電流水平，從而減少不可避免的壓降 (V = IR) 和耗散損耗 (P = I 2 R ) 當(dāng)電流通過任何電阻時(shí)發(fā)生。更高的溫度允許功率組件和系統(tǒng)被更用力地推動(dòng)，從而提供更多的輸出，從而減少將系統(tǒng)分成兩個(gè)或更多更小的子系統(tǒng)以提供相同功率的需要。

盡管 SiC 的優(yōu)點(diǎn)早已為人所知，但將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)用、具有成本效益、可靠的設(shè)備一直是一項(xiàng)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。但請(qǐng)記住，“馴服”硅并使其發(fā)揮今天的作用需要數(shù)十年時(shí)間，尤其是在功率設(shè)備中，所有缺陷和缺陷都會(huì)因熱量和功率水平而被放大。同樣，將 SiC 技術(shù)作為實(shí)用器件推向市場(chǎng)需要數(shù)年（以及無數(shù)美元）的基礎(chǔ)物理研究、創(chuàng)新工藝開發(fā)、獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)和新的制造技術(shù)，并得到合適的封裝和數(shù)百萬小時(shí)的測(cè)試和可靠性數(shù)據(jù)的支持。

現(xiàn)在與未來

僅在硅領(lǐng)域處于強(qiáng)勢(shì)地位的功率器件供應(yīng)商，以及在非硅材料和工藝方面具有專業(yè)知識(shí)的功率器件供應(yīng)商，都看到了 SiC 的近期和長(zhǎng)期潛力，以及它如何滿足對(duì)更好、更便宜和更高效功率的需求. 活躍的參與者包括Infineon Technologies AG、Microsemi Corporation、CREE, Inc. (Wolfspeed)、General Electric、Power Integrations、Toshiba、ON Semiconductor、STMicroelectronics NV、NXP Semiconductors、ROHM Semiconductor和Renesas Electronics. 數(shù)百種已發(fā)布的基于 SiC 的 MOSFET 和二極管已經(jīng)集成并安裝在產(chǎn)品中。這些產(chǎn)品得到密集、持續(xù)的研發(fā)工作的支持，使 SiC 處于有吸引力的位置。

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