SiC 器件取代服务器、电机、EV 中的 Si MOSFET 和二极管

我们似乎永无止境地需要以更高的效率交付的更多动力，而且这种需求没有尽头。即使单个组件降低了运行功率水平，它们所支持的系统也有望发挥越来越大的作用。因此，总功率需求正在增加，很容易超过单个组件所需功率的减少。

当然，电力需求增长的很大一部分是由于服务器和数据中心等大型设施造成的。然而，原因要广泛得多。例如，电动机正在向长期由液压动力或内燃机主导的应用领域取得重大进展。这包括电动汽车和混合动力电动汽车（EV 和 HEV）以及大型机器人和重型建筑设备。

这些电力系统的工作室组件是硅基 MOSFET 和 IGBT。在过去的几十年中，这两种电源开关都取得了显着改进，其能力扩展到高电压和功率水平，并且静态 (R DS(ON) ) 和动态（开关）损耗均有所降低。不过现在，这些努力已经达到了回报与研发成本递减的地步。

一个新的竞争者变得非常真实

幸运的是，有一种颠覆性的技术已经发展了很多年，并且已经足够成熟，可以用于大规模安装并达到其市场采用拐点。基于碳化硅 (SiC) 的开关设备（包括晶体管和二极管）正在重新定义电源相关电路的功能。与当今最好的纯硅 MOSFET、IGBT 和二极管相比，它们的效率和范围要好得多，并且已经在顶级数据中心和服务器场中广泛使用。

Yole Développement 于 2017 年 8 月发布的一份市场报告“Power SiC 2017：材料、设备、模块和应用”对这种情况给出了一些数字。他们的研究认为，“SiC 技术的采用将在 2019 年加速，达到临界点。” 该报告补充说：“……SiC 功率市场（二极管和晶体管）在 2015 年估计超过 2 亿美元 (USD)，预计到 2021 年将超过 5.5 亿美元，2015-2021 年的复合年增长率为 19%。SiC 二极管仍以 85% 的市场份额主导整个 SiC 市场……这一领先地位在数年内都不会改变。与此同时，碳化硅晶体管……应该在 2021 年达到 27% 的市场份额。”

他们的采用通常具有降低成本、增加设计人员经验、创建更全面的规范和验证可靠性数据的有益连锁反应。所有功率级都受益，从高压交流电到中档直流电，甚至个位数直流轨电压。（请注意，在基于氮化镓的功率器件中也有类似的吸收，但没有那么大。）

碳化硅优势

基于 SiC 的功率 MOSFET 和二极管是宽带隙 (WBG)固态器件，它们与纯硅器件既相似又不同。（它们的带隙在 2 到 4eV 的范围内，而硅的带隙在 1 到 1.5eV 的范围内。）虽然基础物理相当复杂，但 WBG 材料至少在原则上能够制造在显着由于材料的固有特性，击穿电压和温度更高（通常为 200° 至 300°C）。他们还通过更小、更轻的封装和更高的效率实现了这一点。

虽然更小、更轻的封装的优点是显而易见的，但为什么更高的电压和温度也是可取的呢？更高的电压之所以具有吸引力，是因为它们一直以来的原因：对于相同的输送功率 (P = VI)，它们可以降低电流水平，从而减少不可避免的压降 (V = IR) 和耗散损耗 (P = I 2 R ) 当电流通过任何电阻时发生。更高的温度允许功率组件和系统被更用力地推动，从而提供更多的输出，从而减少将系统分成两个或更多更小的子系统以提供相同功率的需要。

尽管 SiC 的优点早已为人所知，但将理论转化为实用、具有成本效益、可靠的设备一直是一项长期挑战。但请记住，“驯服”硅并使其发挥今天的作用需要数十年时间，尤其是在功率设备中，所有缺陷和缺陷都会因热量和功率水平而被放大。同样，将 SiC 技术作为实用器件推向市场需要数年（以及无数美元）的基础物理研究、创新工艺开发、独特的器件结构和新的制造技术，并得到合适的封装和数百万小时的测试和可靠性数据的支持。

现在与未来

仅在硅领域处于强势地位的功率器件供应商，以及在非硅材料和工艺方面具有专业知识的功率器件供应商，都看到了 SiC 的近期和长期潜力，以及它如何满足对更好、更便宜和更高效功率的需求. 活跃的参与者包括Infineon Technologies AG、Microsemi Corporation、CREE, Inc. (Wolfspeed)、General Electric、Power Integrations、Toshiba、ON Semiconductor、STMicroelectronics NV、NXP Semiconductors、ROHM Semiconductor和Renesas Electronics. 数百种已发布的基于 SiC 的 MOSFET 和二极管已经集成并安装在产品中。这些产品得到密集、持续的研发工作的支持，使 SiC 处于有吸引力的位置。

审核编辑 hhy