摘要： SiC功率元件具高頻和耐高溫特性，不僅可較傳統(tǒng)硅功率半導體，提供更高的電源轉換效率，更可減少所需的電容和感測器數量，已吸引愈來愈多太陽能逆變器制造商青睞。
關鍵字： 逆變器，感測器，太陽能
碳化硅(SiC)功率元件正快速在太陽能(PV)逆變器應用市場攻城掠地。SiC功率元件具高頻和耐高溫特性，不僅可較傳統(tǒng)硅功率半導體，提供更高的電源轉換效率，更可減少所需的電容和感測器數量，已吸引愈來愈多太陽能逆變器制造商青睞。
以寬能隙(Wide Bandgap， WBG)半導體碳化硅(SiC)制造的功率元件(Power Device)，相當適合高功率、高頻率及高溫環(huán)境的應用，近來已有許多逆變器制造商導入產品設計，推升SiC元件產值于2012年達到7，600萬美元，發(fā)展至2020年更將上看2億美元。
另外，業(yè)界也普遍認為SiC元件有機會在電動車(EV)市場崛起，但目前仍充滿不確定性，主因系不清楚電動車制造商是否會采用，以及何時導入，因此對SiC元件大量商用的時機，業(yè)界仍沒有確切時間點，且技術上還有一些問題。
隨著SiC元件技術發(fā)展、市場應用逐漸成熟，制造重心則將逐漸從美國、歐洲轉移至日本和其他亞洲國家(圖1)，以因應市場需求。
具高頻/耐高溫特性 SiC獲逆變器廠青睞
第一個采用SiC元件的是伺服器制造商，主要應用于高階伺服器的電源供應器功率因素校正(PFC)，太陽能逆變器(Inverter)則是第二個廣泛導入SiC元件的產品，車用市場尚未見其蹤跡。
未來，SiC元件在逆變器應用將有不少成長空間，至2015年可望成為主要出貨市場(圖2)，雖目前每家逆變器制造商產品線的幾十個型號中，只有一至兩個采用SiC，滲透率相當低;但從反面角度思考，這代表SiC在該應用領域還有很多發(fā)揮空間。
圖1 2002～2020年SiC元件產值區(qū)域性占比預測
部分逆變器業(yè)者已同時推出采用SiC二極體、IGBT或MOSFET的產品陣容，更有少數提供全系列SiC逆變器。不過，現階段SiC逆變器在市面上僅能稱作試水溫的產品，相關業(yè)者僅簡單替換傳統(tǒng)硅元件，花最少的設計工夫得到一些轉換效率的提升，意味著SiC的優(yōu)勢還未完全被利用;因此，下一階段逆變器業(yè)者已計劃針對SiC高頻率及耐高溫特性，全面革新系統(tǒng)設計架構，以減少所需的電容和感測器數量，進一步提高產品性價比。
圖2 2010～2020年SiC元件應用領域變化
Yole Developpement已與System Plus Consulting合作，剖析SiC取代逆變器中傳統(tǒng)硅元件帶來的優(yōu)勢，其中，最顯著的效能改善在于可將標準轉換頻率由12KHz提升至32KHz，如此一來，在同等效能的情況下，50kW SiC逆變器到2020年將比硅逆變器還便宜，有助縮短SiC投資回收的時間;而此一優(yōu)勢亦有助逆變器廠商加速導入SiC元件，將使該元件產值在2020 年達到2億美元。
除太陽能逆變器外，電動車、油電混合車(HEV)充電轉換器未來亦可望擴大導入SiC元件，進一步縮減系統(tǒng)體積與重量。
電動車認證牛步 SiC應用發(fā)展陷迷霧
盡管SiC功率元件在車用市場極具成長潛力，然而，汽車認證可能要花費高達5年的時間，所以即使電動車及油電混合車的充電轉換器等認證正在進行，SiC元件在2015年前能否成功取得車廠青睞仍未可知。
除車廠認證時程緩慢外，SiC也面臨其他耐高壓元件崛起的挑戰(zhàn)，包括硅超接面金屬氧化物半導體場效電晶體(Super Junction MOSFET)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT)，以及寬能隙氮化鎵(GaN)元件等，產品定位均與SiC相近。
因此，Yole Developpement于今年5月發(fā)表的最新SiC產業(yè)分析報告中，即預測未來SiC產業(yè)發(fā)展的兩個狀況，較為樂觀的情況是SiC元件自2015年起，開始用于電動車或油電混合車上，并于2020年瓜分既有的IGBT市場占有率達11%;至于悲觀的情況則是2017～2018年才開始被車廠導入電動車，因而使SiC元件供應商轉戰(zhàn)太陽能逆變器市場，并在2020年成為首要應用。
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