电力电子系统能效，未来非他莫属！

导读：过去几年，基于碳化硅（SiC）功率半导体器件的解决方案使用大幅增长，它将引发一场类似于蒸汽机一样的产业革命，推动这一市场的发展动力来源与我们对于电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。

面对日益严苛的能效要求，节能减碳已成为现今电子产品不可忽略的重要环节；传统以硅为材料的功率半导体，正逐渐面临发展瓶颈，而具有比硅更低导通电阻及更高切换速度的碳化硅（SiC）功率器件以其优异的高耐压、低损耗、高导热率等优异性能，有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。

整个碳化硅（SiC）功率器件行业尚在起步阶段。全球市场规模包括中国国内市场规模都很小，2014年全球碳化硅（SiC）功率器件的市场规模为1.2亿美元，相较硅功率器件的150亿美元市场，碳化硅功率器件市场还很小，还不到硅（Si）功率器件的10%。

根据市场分析公司预计，2016-2020年，碳化硅功率器件的市场规模将保持25%的年增长速度，到2020年时可望达到4.5亿美元以上的规模，市场对这一器件的接受度正进入加速阶段。

碳化硅（SiC）器件优势巨大

碳化硅（SiC）材料本身的宽禁带、高击穿电场、高热导率、电子迁移率以及抗辐射特性使得碳化硅基的SBD以及MOSFET在高频、高温、高压、高功率以及耐辐射的应用场合相比硅基器件优势巨大。

1. 碳化硅材料应用在高铁领域，可节能20%以上，并减小电力系统体积；

2. 碳化硅材料应用在新能源汽车领域，可降低能耗20%；

3. 碳化硅材料应用在家电领域，可节能50%；

4. 碳化硅材料应用在风力发电领域，可提高效率20%；

5. 碳化硅材料应用在太阳能领域，可降低光电转换损失25%以上；

6. 碳化硅材料应用在工业电机领域，可节能30%-50%；

7. 碳化硅材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失降低60%，同时供电效率提高40%以上；

8. 碳化硅材料应用在大数据领域，可帮助数据中心能耗大幅降低（全球300万台数据中心每小时耗电量约为3000万千瓦）；

9. 碳化硅材料应用在通信领域，可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性；

10. 碳化硅材料可使航空航天领域，可使设备的损耗减小30%-50%，工作频率高3倍，电感电容体积缩小3倍，散热器重量大幅降低。

其实优势不单是体现在单个器件上，而是碳化硅基的功率器件作为电力电子的功率转换中的核心部件，工作频率、效率及耐温的提升使得功率转换（即整流或者逆变）模块中对电容电感等被动元件以及散热片的要求大大降低，核心元件带动整个模块系统的优化才是最重要的。

面对日益严苛的能效要求，发达国家都非常重视碳化硅功率器件，很早就进行了布局，加大研发力度。2014年伊始，当时的美国总统奥巴马亲自主导成立了以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后，是美国对以碳化硅半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。据了解，这个产业已经获得美国联邦和地方政府总计1.4亿美元的合力支持。而早在2013年日本政府就将碳化硅纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。

国内对碳化硅（SiC）功率器件的研究始于20世纪末，直到2014年，国内的碳化硅（SiC）二极管实现了量产化，但还没有形成完整的产业，与国外的产业规模相比有很大差距。

国内碳化硅（SiC）功率器件方面，西安电子科技大学、中电科技集团13所和55所、清华大学、中国科学院、中车株洲时代电气股份有限公司和国网智能电网研究院等都有一些此类器件的课题研究，但主要是理论研究以及器件结构的计算机仿真及实验室的一些研究成果。目前，国内实现碳化硅（SiC）功率器件量产的只有泰科天润半导体科技（北京）有限公司，其量产的肖特基二极管600～1700V系列各项指标均已达到国际先进水平。

2014年1月15日，国内首款商业化碳化硅（SiC）肖特基二极管在泰科天润通过了中国电力电子协会主持的产品鉴定。

目前成熟量产的碳化硅（SiC）功率器件更多是SBD，商用的碳化硅基MOSFET国际几大厂如Cree、Infineon、RoHM等厂家也有量产器件，国内应该尚未走通整个SiC MOSFET的量产工艺。

国际厂商已经在宣传全碳化硅（SiC）功率模块，用于PFC/UPS/PV/EV等应用场景，国内厂家由于仅有少数能量产碳化硅器件，而且还仅仅是SBD，开关器件国内尚无人能量产，所以国内的全碳化硅（SiC）功率模块目前大部分是采用国外的功率器件，或者至少是MOSFET采用的是国外产品。

从2010年1月1日- 2015年10月底，美国碳化硅功率器件相关技术（含衬底晶体、外延、器件、模块和系统等）的专利申请情况看，碳化硅功率器件经历了较大的发展，从产业上呈现了与前期不同的面貌。主要反映在2个方面：

1. 二极管技术不断趋于成熟，除了军用之外，在一些典型领域（服务器和光伏微逆变器等）开始了大规模应用，三极管也开始进入市场，并且与一些重要的下游应用产业领域（电动汽车，轨道交通）结合，一定程度上确立了产业界的普遍认同，一些公司有了自己具体的产业发展方向和时间表。

2. 各个产业链条环节都出现竞争，导致质量不断提高，成本迅速持续下降，呈现典型的产业良性发展特征。

目前阻碍碳化硅（SiC）功率器件大规模进入市场的主要原因是制造成本和产品良率。虽说碳化硅基器件仍不便宜，但是被动元件的节省以及散热压力的减小是的碳化硅基的功率模块已然能做到接近0.25USD/瓦的价格，而且是在当前终端市场很不成熟的条件下做到的，碳化硅外延片的尺寸的突破以及位错密度的持续降低，将会促进成本的进一步降低。

另外碳化硅功率器件的制约因素，其工艺本身的一些技术特性也有待攻关，因为硅功率材料较传统硅材料硬度要大，晶圆尺寸进一步扩大时工艺技术目前还很难控制，因此目前硅功率产品的晶圆尺寸只能做到6英寸，相对于目前大部分硅功率器件都已经向12英寸晶圆迁移的进度，硅功率功率器件有些落后了，而这也将限制其成本控制的步伐。

总结：作为一种全新材料，碳化硅功率器件存在显著的技术/成本瓶颈。同时，在其产业发展规划中，缺乏行业标准和公认的技术发展路线。不同的产品/技术路线，对材料和工艺的要求、驱动、可靠性都不相同，谁能最后脱颖而出，占据主流地位，对业者的生存发展是非常现实的问题。