电源与能源管理对人类社会未来的永续发展至关重要。由於全球能源需求正在不断成长，因此必须控制碳排放，并将气温上升控制在1.5度以下，减排对此非常重要，但要实现这些要有科技的支援，包括可再生能源的利用。

仅就工业领域来说，如果能将电力利用效率提升1％，就能节省95.6亿千瓦时（TWh）的能源。这意味着可以节省下15个核电站的发电量、减排3200万吨二氧化碳，或者是数以千计的石油。可以看到仅仅是工业领域对电力利用效率的提升，就能够有如此惊人的节能效果。而在这样的条件之下，使得宽能隙半导体元件有了更宽广的发挥空间。

图一 : 功率技术对达到高效应用与节能降耗扮演着关键作用，其中的重点就是碳化矽和氮化??这两种新材料，它们具备更好的效能。

发挥宽能隙元件优势

意法半导体汽车和离散元件产品部（ADG）执行??总裁暨功率电晶体事业部总经理Edoardo MERLI指出，宽能隙技术已经在半导体市场上得到广泛应用。碳化矽和氮化??两种材料的特性略有不同。碳化矽主要用於汽车和工业领域的大功率系统设备。在汽车应用领域，中国和亚洲电动汽车蓬勃发展，市场成长速度明显高於欧美国家，不过，欧美电动汽车产业也在迎头赶上。这一市场趋势适合碳化矽和氮化??技术应用发展。电动汽车的动力总成、车载充电器等系统，以及充电站都会用到碳化矽元件。而预期汽车和工业大功率电源解决方案将会快速、大规模采用碳化矽。

至於氮化??，相较於碳化矽，氮化??可能更适合低功率应用，但是氮化??的开关频率更高，因此它可以让系统级小型化，甚至比碳化矽更好，因此，氮化??非常适合很多消费性应用，例如，笔记型电脑的电源和行动装置的电源转接器。此外，因为氮化??还可以整合控制单元，所以可以用於开辟新的应用领域。氮化??还适合工业和汽车应用，特别是充电系统，但是，它必须提升可靠性，目前这项技术的可靠性还不高，毕竟还是一项新技术。还必须改进性能，以达到更高的开关频率。

Edoardo MERLI说，宽能隙技术已经催生出一系列相关应用，协助达成碳中和的企业目标。而功率技术对达到高效应用与节能降耗也扮演着关键作用，其中的重点就是碳化矽和氮化??这两种新材料，它们相较普通矽材料具备更好的效能。宽能隙半导体拥有运作电压高、开关速度快、运作温度高、导通电阻低、产生热量少、耗散功率低、效能更高等优势，其节能效果非常出色。由於两种技术各有不同特点，各自的应用情境也有所不同。

提升成本效益与竞争优势

由於宽能隙材料本身的特性，使得碳化矽和氮化??元件在效能和开关性能方面表现出色。至於控制碳化矽可以用常规驱动器，但是其驱动电压值与传统矽基电晶体不同，驱动电压是碳化矽技术的一个重要叁数，半导体厂商正致力於研究根据不同的应用情境，来提供不同的驱动电压值，并开发碳化矽专用驱动器。

如果是常关型氮化??HEMT电晶体，控制设计就复杂一点，需要开发氮化??专用驱动器。如果是D型氮化??电晶体，驱动电路就比较普通。因此，驱动能力与主电晶体是配对的，良好的配对让应用能够达到整体效能水准。

至於宽能隙元件的成本问题，以碳化矽为例，可以从产品本身分析碳化矽与同级矽产品的成本差距。首先，事实证明采用碳化矽可以降低或有助於降低系统成本，因为碳化矽可以缩减散热器尺寸，降低系统重量，达到设计小型化和轻量化。其次，碳化矽制造过程涉及很多技术，包括基材制造技术，还有原材料和生产制造设备等。目前已经看到成本大幅降低的趋势。因此，透过改善技术，元件的成本将会降低。最後，碳化矽元件可以降低系统成本，用碳化矽替代矽基解决方案，最终应用的成本效益更高，更有竞争优势。

碳化矽的确是一种新材料，相较矽材料，确实需要比较新的制程，需要更高的温度，以及其他加工条件。在产出良率和制程方面，碳化矽仍然落後於矽。因此，为了提升品质和产量并降低成本，有很多技术都在开发中。未来，成本和品质可能会大幅改善。如果企业能够负担得起，有厂模式确实是一笔巨大的资产，一个很大的优势，因为这种模式能让企业控制主要生产叁数，即成本、品质和非常重要的产量。

图二 : 藉由碳化矽的优势可解决工业和汽车应用的效能问题（制图／王岫晨）

宽能隙元件的车用市场

碳化矽应用涵盖领域包括汽车制造、工业应用等，许多优势对终端使用者都是显而易见的。以电动汽车制造为例，碳化矽可用於制造牵引逆变器、充电桩、DC-DC转换器等配套设备，这些能够带来更长的行驶里程、车辆自重的减轻，这些都是使用者在使用过程中可以直观感受到的。除此之外当然还有性能更强的电动汽车充电站，碳化矽能够加快充电速度，缩短充电时间，进而促进电动汽车的推广和普及。

汽车的动力系统发展，从内燃机（ICE）到电动机的转变是一个不可阻挡的趋势，许多老牌传统车商先後宣布了燃油车停产计画。宽能隙半导体的应用可能会影响并加速汽车电动化进程，因为车商一直在尽力提升汽车的效能，延长续航里程，减少充电间隔。只有宽能隙半导体才能提供这样的承诺，协助汽车朝向永续出行的方向发展。

碳化矽MOSFET被采用的主要原因是，可以减少功率转换过程中的电能损耗，具有较低的耗散功率。因为导通损耗和开关损耗较低，使得效能这个关键叁数可以得到明显改进。效能的提升可降低石油或煤炭等传统能源的用量，进而减少环境污染，并扩大太阳能或风能等可再生能源的大规模应用。效能提升还让电动汽车厂商能够推出一次充电便可行驶更长距离且充电频率更低的车型，进而成为人们心目中真正的燃油车替代品。

结语

碳化矽与氮化??的应用，主要是功率利用和开关频率。可以看到碳化矽与氮化??导体能够满足的需求略有不同，简单来说就是带来更强的功率。碳化矽能够提升开关频率，而氮化??消耗的电能更少。这项技术与现有的矽科技能够形成互补，不过功能上也有些许重叠，今後将会不断优化和完善。因此尽管碳化矽与氮化??催生了一系列新的应用，但也带来了一些新的限制，这些都需要继续加深了解并突破。