全球能源需求正持续成长，而推动的因素包括了工业应用、交通运输、民用设施的电气化，以及用电设备数量的增加，都直接提升了对于高效率功率半导体的需求。功率半导体不论是对于发电、输电，以及用电等所有应用环境，都能够更有效率地管理设备、机器与系统。功率半导体元件可协助风力发电与光电系统有效率地发电及转换电力，也让家电、笔电、资料中心及其他应用的用电效率大幅提升。如此可节省能源，也确保能源供应的永续性。

图1 : SiC与GaN以更快的切换速度与更低的耗损，达到比矽元件更高的能源效率。

而提起功率半导体，就不能不提到碳化矽（SiC），说它是明日之星也绝对当之无愧。碳化矽并非是全新的材料技术，在过去碳化矽这样的材料就已经存在，而近年来，随着能源议题逐渐被重视，碳化矽这样的材料有助于打造出效率更好的半导体功率元件，来改善电源使用效率，并进一步协助解决能源问题。

碳化矽的崛起

一般来说，半导体本身就是个一种技术指标，通常半导体的技术本身要能达到某种成熟度或者稳定度，才能真正应用在各种不同场合上。放眼工业市场或者车用元件，一旦稳定度不佳，经常会造成安全方面的疑虑。而特别是功率元件，这种与电源应用息息相关的产品，在使用上将会特别重视其稳定性与可靠度，一定会要求其达到某个程度的指标之后，才能够满足于实际应用的要求。

图2 : SiC的平面式与沟槽式架构差异

碳化矽制程是近年来在功率元件领域新崛起的热门技术，其优点在于具备极佳的耐高压与耐高温的特性，因此对于需要高电压的工业应用、以及电动车等，都十分适合。只不过，碳化矽的生产成本非常高昂，且现阶段良率并不高，在耐用性方面也经常遇到挑战，目前仅少数半导体供应商有能力生产碳化矽相关的产品并实际上市。

英飞凌碳化矽技术优势

英飞凌自从1992年起，便已经开始投入碳化矽的材料研究。英飞凌大中华区工业电源控制事业处经理郭代原指出，功率元件的技术一般分为平面式（Planar）与沟槽式（Trench）这两种架构。早期许多开发碳化矽产品的厂商，采用的都是平面式的架构，只不过这种平面式的功率元件架构，其可靠度一直受到市场的质疑。平面式的架构在其闸极氧化层容易产生电子的扰流散射，这样的缺点往往是造成可靠度不佳的主因，而这也是英飞凌一直对于平面式技术的诟病之处。因此，英飞凌专注于发展沟槽式技术，并将平面式的缺点加以改善。英飞凌采用的沟槽式架构，其特色就是在于能够兼顾到可靠度，同时也能够提升能源效率。

降低功率耗损

碳化矽功率元件之所以能够提高能源效率，关键就在于能够有效降低损耗，特别是对于能量消耗最显著的切换损失（Switching Loss）与导通损失（Condition loss），都能够透过碳化矽元件来有效降低。当切换损失一旦降低，电器频率就能够向上提升，例如在冷气中的变频器，一旦工作频率提高，就可以更有效降低谐波，因此对于需要节能的高频家电应用来说，碳化矽无疑就是个非常合适的功率元件。尽管现阶段成本还偏高，然而未来随著成本下降，在高频应用上将会使用更为广泛。

图3 : 英飞凌大中华区工业电源控制事业处经理郭代原

尽管碳化矽功率元件可以有效提高能源效率，然而目前其成本偏高却是最为人所诟病的问题。郭代原说，既然现阶段成本偏高，就不能将其应用在对于价格敏感的产品用途上。目前碳化矽功率元件最适合的应用场合，就是对于效能要求要高，且体积要小的产品上。这两类的需求通常无法用低成本的元件来满足，因此需要用到这种更好的材料，来提供更高的效能。

应用案例

太阳能电池就是一个很合适的应用案例。一般来说，太阳能电池本身就需要很高的能源转换效率，将功能转换成电能并且储存起来。在这个过程中，太阳能逆变器就扮演很关键的角色。事实上，太阳能逆变器占整体系统的成本并不算高，这时候为了要提升整体的发电效率，采用碳化矽这样的材料来做出更好的变频器，就能在不大幅影响整体成本的情况下，提高能源转换效率。

另外，又如设立于城市中的电动车充电站，其所需要的电力非常大，特别是随着电动车的普及，未来在都市当中一定会大量布建这样的充电站。正由于未来将会大量部属，因此一旦能源效率差的话，整体就会产生非常高的能源耗损，因此电动车充电站也是对于能源效率非常在意的一种应用。

此外，充电站布建街道上，特别是在地小人稠的都市中，设备体积不能过于庞大。加上户外环境恶劣等因素，使得整个充电站设备必须尽可能的缩小体积。这时候，透过碳化矽这样的功率元件，除了可以有效提高整体能源效率之外，还能进一步缩小设备的整体尺寸与占地面积。

未来发展

碳化矽已经是成熟商品，但技术上还会持续进化。郭代原说，碳化矽元件的生产方面，早期由于良率偏低，导致成本较高。随着不断地技术精进让产能与良率提升，才能让价格往下压低，也才能让碳化矽功率元件获得进一步的普及。另一个指标则是可靠度，未来在可靠度方面当然还是必须继续提升，因为半导体技术是持续精进的，不会因为产品已经上市而停止，而是每隔一段时间就会在技术层面上寻求突破，来提升性能。