电源产业新变革——碳化硅

随着碳化硅(SiC)材料在功率电子器件上的应用，电源产业的技术革命已揭开序幕。 这些新器件具有开关速度快、损耗小等众多优点，是硅器件难以达到的。 更高的功率密度与转换效率，是电力电子产业永远追求的目标。这些新器件的实际应用，为电力电子产业创造了全新的可能。基于以上原因，许多电源研究人员，已经将未来的产品发展重心放在碳化硅等新一代材料的应用导入上。

碳化硅具有极佳的材料特性，可以显著降低开关损耗，因此电源开关的操作频率可以大为提高，从而使电源系统的尺寸明显缩小。至于在转换效率方面，相较于硅晶体管在单极操作下无法支持高电压，碳化硅即便是在高电压条件下，一样可以支持单极操作，因此其功率损失、转换效率等指针性能的表现，也显著优于硅组件。

不过，碳化硅材料虽然在电力电子应用上有很多优势，但其可靠性还是一大问题，也因为这个缘故，早在十多年前就已展开研究的SiC，直到近年来才得到商业应用。 其中，又以各种大功率应用最适合导入SiC组件，因为其所带来的商业效益十分明显。

目前大功率电力设备多半仍以机械结构为主，因此造价高昂，且产品相当笨重，需要经常维修。 为了克服这些缺点，以SiC为代表的新一代大功率电力设备应运而生。 以往电力电子组件通常在动辄数百伏特、甚至上千伏特的高压条件下工作效率十分低下，因此大功率电力设备只能采用以机械为主的设计。 但在碳化硅元件进入商业量产后，目前1,200伏特的高压电应用也可用电力电子的架构来设计，越来越多的场合开始使用电力电子方案来替代原有方案。现在碳化硅已引起了家电、电机驱动、新能源等应用领域的关注，未来商机可望逐渐发酵。

电动汽车作为新能源的代表已对碳化硅器件表现出十分大的需求，主要原因在于碳化硅器件可实现更高的频率，从而使电源系统设计更加小型化，轻量化，实现更高的功率密度。无论是汽车的动力总成系统还是充电桩，通过碳化硅器件都可对其进行优化。

设备的重量是衡量车载系统的一个重要指标。 若车上的驱动器、充电系统能做得越小巧，则电动车的电池续航能力越高， 这也是电动车厂商对碳化硅解决方案趋之若鹜的主要原因。为了实现电动车的快速充电，提高电动车的实用性，支持20kW、甚至25kW输出的电动车充电桩，已经开始出现在市场上。这也使得电动车充电桩的功率密度需求增加，并促使相关业者舍弃传统硅组件，转向碳化硅组件。

然而，由于是新材料、新工艺，因此碳化硅的价格至今仍比传统硅器件高出一截，形成其一个较大的劣势。 目前碳化硅器件的价格大约是同等级硅器件的3∼4倍之间，故许多厂商在使用时会有一定疑虑。因此，目前其定位还是应用于对于器件要求比较高的场合。而且，随着技术的不断成熟，碳化硅器件的价格也在快速降低。

事实上，以英飞凌为例，目前该公司的碳化硅组件生产已经从4吋晶圆升级到6吋晶圆，未来若市场需求继续成长，继续朝8吋，甚至12吋晶圆转进，也是有可能的。 而随着晶圆尺寸放大，碳化硅组件的成本将会比现在更有竞争力。此外，碳化硅开关器件的驱动要求与传统硅器件也不是完全相同。因此其驱动电路需要重新开发，但相信随着技术的普及，其相应的集成电路也会得到开发应用。

总体来说，虽然碳化硅的大规模应用还需要一段时间，但却不是遥不可及的梦想。在不断追求质量与技术的新时代，其应用必将成为必然。