毫無疑問，未來的公共運輸、個人交通工具和貨運是採用電力的，即使航空業也開始用電力代替噴氣燃料。電氣化已成為汽車領域前所未有的變革推動力，其他領域也將經歷同樣顛覆性的變革。當前任何應用的主要動力源實際上都基於某種形式的不可再生燃料。

在全球致力於減少二氧化碳排放後，我們的發電方式正在轉向更清潔、更可再生的方式。 儘管現在可再生能源已經很成熟，但新的（可能更高效的）技術也正在探索中，且無疑將得以發展，到那時將完成過渡。

圖一 : 增加的半導體含量

但隨著化石燃料發電站的廢除，廉價能源的時代也將一去不返。這意味著，就性能和能效而言，傳導（或更準確地說是半導體）首次比燃燒更具影響力。 因此，我們管理電力的方式也必須改變，這有兩個原因：我們需要每瓦特功率做更多，以及需要為一切工作產生更多的功率。

寬能隙的出現

矽尤其是CMOS作為正在使用的最重要的半導體技術，幾乎沒有人期望它們被取代，至少在可預見的未來不會。但是對於高功率和高頻應用，人們普遍認為矽並不是唯一的選擇。

實際上，矽在這方面的局限性已成為進一步改進的障礙。為了實現汽車功能電子化，這是不能維繫的，為因應這一迫在眉睫的危機，行業已加緊應對這一挑戰。

寬能隙半導體（WBG）半導體襯底的開發，特別是氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC），在電壓/電流容量、開關速度和寄生特性方面表現出顯著優勢。這些特性使它們成為管理、轉換和分配用於汽車領域混合動力或全電動傳動系統中的高壓的理想方案。這擴展到需要高能效的其他應用，如太陽能電池逆變器和風力渦輪機，或用於工業自動化中驅動電機。

圖二 : 1200 V SiC MOSFET

當然，這有顯著的挑戰。例如，安森美半導體是極少數成功開發大型裸片SiC MOSFET的半導體製造商之一。整個製造工藝必須對SiC進行重新評估和工程設計，發現並解決良率問題，重新設計封裝以應對SiC可能施加在器件上的應力增加，並採用SiC開發出新的氧化物處理前所未有的高dv/dt數位。在相對較短的時間內將極強固的二極體和MOSFET推出市場。

構建一個生態系統

就整個半導體行業而言，WBG仍處於萌芽階段。與CMOS不同的是，實際上沒有成熟的供應鏈提供「無晶圓廠」的管道進入市場，因此供應商要少得多。那些開創性的WBG專注於開發WBG的技術和市場，以及他們自己的產品組合，而不是創建一個橫向領域來滿足更廣泛行業希望開發GaN或SiC產品的需要。

這些市場動態可能會隨著技術的發展發生變化，但現在任何想要成功交付WBG器件的公司都需要有從晶錠到板的一整套方案。

完整的SiC方案

整體方案的概念並不止於SiC電晶體、二極體或整合的電源模組； WBG的性質與其促成的終端應用一樣具有顛覆性。工程師將意識到功率電晶體需要驅動器，並且每種電晶體類型（Si、SiC、GaN）在這方面都有不同的要求。這對完善產品所需的驅動技術產生影響。

出乎意料的是，一些供應商聲稱能夠將IGBT驅動器重新用於SiC MOSFET。安森美半導體認為這可能不是最佳化的方案。驅動器需要開發出以滿足所用半導體技術的特定要求。將設計用於傳統MOSFET或IGBT的驅動器應用於驅動SiC MOSFET沒有考慮到WBG中開關行為和基板參數的差異，如輸入阻抗、門極電荷和動態特性（di/dt和dv/dt）。

很明顯，考慮到這些顯著差異，標準IGBT或超級結MOSFET驅動器的設計並不是為了最佳地驅動SiC MOSFET。 因此，如果這些器件不達到其最佳性能，將不能實現更高效能、更高功率密度和更低總成本的承諾。

電源模組的重要性

SiC的生態系統也必須擴展到模組，因為模組已經是電源應用中的主要市場推動力，並且不太可能隨著轉向WBG而改變。在需要20kW或更高功率的應用中使用電源模組的好處已經證實，且功率需求只會不斷增加。

SiC的電感和熱優勢將在模組市場明顯體現，雖然可使用相同的形狀因數，但幾乎需要解決模組設計的所有其他方面。這將需要高水準的設計支援，例如，提供用於SiC FET的SPICE模型。

不久的將來將會發生的另一個重要發展是IGBT和SiC之間的成本平價。如前所述，一個新生的市場需要在每個關鍵階段進行更大的垂直整合，以達到高生產效率，安森美半導體敏銳意識到此並正積極致力於此。

隨著來自汽車領域主要是電動汽車對SiC方案的巨大且日增的興趣，勢頭正在迅速增長。 SiC的尺寸、重量和能效優勢已獲製造商認可，隨著其與其他類型的功率電晶體價格趨於同等水準，需求將會增加。

圖三 : 安森美半導體的碳化矽二極體及FET陣容

安森美半導體擁有大量二極體和MOSFET，將於2019年底開始面向工業市場出售完整的SiC模組，並計畫於2020年推出全面的汽車產品陣容，這有助於構建SiC生態系統和需求，從而提供推動整個半導體行業的良性迴圈。

（本文作者Bret Zahn為安森美半導體低壓MOSFET、電池保護MOSFET和寬禁帶（GaN和SiC）高級總監兼總經理）

**刊頭圖（source：Money Crashers）