19世紀英國詩人、小說家和諷刺作家奧斯卡·王爾德(Oscar Wilde)在其戲劇《少奶奶的扇子》中寫道，懷疑論者是那些“知道一切東西的價格，卻不知道任何東西的價值”的人，意在諷刺對事物的短視而沒有看到大局的人。
對于當前人們關注的碳化硅(SiC)也是如此，如果你只計算器件本身的價格，而忽略了其他計算方法，不去計算創新的代價，無疑是一種短視的行為，也許要為此付出更大的代價。
更新換代，SiC并不例外
新一代半導體開關技術出現得越來越快。下一代寬帶隙技術仍處于初級階段，有望進一步改善許多應用領域的效率、尺寸和成本。雖然，隨著碳化硅技術的進步，未來還將面臨挑戰，例如，晶圓需要更厚，以適應較高的加工溫度，從而提高了成本，而一些參數目前只能以犧牲其他參數為代價來改進，但技術終究要發展。
怎么算是“一代”呢?歷史上有著不同的含義。盡管晶體管是在1945年發明的，1970年袖珍計算器才出現;又過了15年，摩托羅拉才賣出了第一部移動電話，從兩個發明來看，都讓早期采用者的口袋緊張——新東西就是貴。
今天，一代又一代的技術來去匆匆。5G到了，兩年多前6G也開始研究了。半導體功率開關技術也是如此，特別是用SiC和GaN制作的寬帶隙器件。SiC已經從5年前的商業起步躍升到今天的第三代，價格已與硅開關相當，特別是在考慮到連鎖效益的情況下。
隨著電動汽車、可再生能源和5G等領域的創新步伐不斷加快，工程師們越來越多地在尋找新的解決方案，并對技術提出更多的要求，以滿足消費者和行業的需求。碳化硅半導體是滿足這些需求的優選答案，其本身也在不斷改進，以期提供與舊技術相比更具成本競爭力的性能。
從可有可無到做出改變
電力電子工程師想要兩者兼得，既期望元件價格越來越便宜，也需要提升系統的性能，其中免不了有一個復雜的成本效益關系，隨著時間推移這個關系在不斷變化，而且往往難以量化。
功率半導體就是這樣。在首度商業化時，碳化硅的創新性和較新的顛覆性技術必然很昂貴，盡管認識到了與硅基產品(如IGBT和Si-MOSFET)相比的潛在優勢，大多數工程師還是把它放在了“可有可無”的清單上。
不過，隨著碳化硅價格的下降、性能和可靠性的提高，其性能得到改善，可靠性得到了證明，在列表中的地位調高了，現在已被視為現有舊技術器件的替代品和新設計的起點。
碳化硅的采用取決于應用，所以太陽能和電動汽車工程師成為了早期采用者，在這些領域，提高效率一直是一個高度優先選擇，但隨著片芯成本的下降、性能的提高、節能價值的提升以及相關元件成本的降低，工程師已沒有理由不在更廣泛的應用中做出改變了。
固有優勢加上最新進展
碳化硅的固有優勢有很多，如高臨界擊穿電壓、高溫操作、具有優良的導通電阻/片芯面積和開關損耗、快速開關等。最近，UnitedSiC采用常關型共源共柵的第三代SiC-FET器件已經更進一步。其中UF系列的最新產品在1200V和650V器件上的導通電阻達到了同類產品最低，分別小于9毫歐和7毫歐。這些器件具有低損耗體二極管效應以及固有的抗過電壓和短路的能力，與Si-MOSFET或IGBT一樣易于驅動。事實上，其TO-247封裝可以替代許多這類器件，實現即時的性能提升。對于新的設計，還有一種低電感、熱增強型DFN8x8封裝，充分利用了SiC-FET的高頻性能。
SiC-FET柵極驅動與現有技術兼容，具有優異的柵極保護
UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla博士表示：“隨著有遠見者將用戶和環境效益加入到價值方程中，系統節能越來越傾向于采用SiC-FET的設計決策。不過，還有更多的事情要做，如果系統是圍繞SiC-FET設計的，開關頻率可以提高，而不會顯著損害效率，甚至可以消除分立整流二極管和緩沖網絡等元件。”
Anup Bhalla博士
他說，其他相關元件(如散熱器、電感器/變壓器和電容器)的尺寸、重量和成本也可隨之降低。在極端情況下，整個冷卻系統本身效率也可以降低，甚至可以節省更多的成本。特別是在電動汽車牽引逆變器應用中，效率的提高是一個良性循環，因為基于碳化硅的逆變器中的元件更小、更輕，所以電池充電的續航里程更長。
碳化硅技術仍在不斷發展，有望獲得更好的性能。在下一代中，導通電阻將隨著開關損耗進一步下降，額定電壓將增加，片芯將進一步縮小，產量提高，從而降低成本。更多的變型和更廣泛的封裝選擇將出現，以適應更高電壓和功率等級的應用范圍。
例如，最新的共源共柵超快速(常關型SiC-FET)與IGBT或Si-MOSFET一樣易于驅動和使用，但在速度及較低靜態和動態損耗方面具有明顯的優勢。UnitedSiC的1200V和650V器件除了導通電阻低，還利用了低內感和熱阻的SiC性能。
1200V和650V第三代器件的導通電阻值比較
Anup Bhalla說，碳化硅的優點從一開始就很明顯，它的寬禁帶提高了臨界擊穿電壓和額定溫度。更好的是，單位面積導通電阻(RdsA)的性能指標比Si-MOSFET高2.5倍，比同電壓等級的IGBT高13倍，開關損耗低，因為器件電容低，熱導率是硅的10倍。
SiC在所有重要方面都優于硅
這為碳化硅器件開辟了廣泛的應用領域，在5G/數據中心等空間受限和節能領域，低損耗是應用的推動力;在電動汽車領域，更高的牽引逆變器效率意味著更小的散熱尺寸和成本，以及更長的車輛里程。SiC-FET的特性也使其在其他應用領域，如家用和商用固態斷路器、電路保護甚至線性操作中具有理想的性能。所涉及的領域同樣廣泛，從航空航天到信息技術、工業、家庭和可再生能源，如果沒有冷卻組件，效率也會更好，而且有助于降低成本、尺寸和環境負擔。
SiC仍處于進化曲線的起點，它還能走多遠呢?系統工程師急切地等待著發現，但我們可以根據SiC如何模仿硅器件的發展做出一些預測：
器件的單元設計(Cell design)將進一步完善導通電阻。其品質因數意味著更小的片芯具有更快的開關和更小的導通電阻;減小的片芯尺寸將直接導致更低的器件電容，這意味著在開關過程中更低的能量損失和更低的柵極驅動損耗;隨著越來越多地使用“層疊共源共柵”，額定電壓將增加到1700V或更高，可以在幾千伏增加電流額定值，由于達到了傳統的鍵合線封裝的極限，因此無引線器件將變得普遍，這也將反過來使開關頻率做得更高。作為傳統設計中IGBT和Si-MOSFET的替代品，TO-247三線和四線封裝仍將占有一席之地。隨著技術的成熟，可靠性將得到越來越多的證明，隨著成品率的提高和片芯尺寸的縮小，成本有望降低。
關鍵SiC開關參數和從今天(藍色)到明天(橙色)的發展
降低總體物料清單成本才是實錘
Cree負責功率半導體器件的人士認為，在所有應用市場，特別是電動汽車和計算機，都能從降低耗電成本和以較低成本提供相同或更高功能所占用的空間中獲益——具有競爭力和可持續性地滿足市場需求。
例如，在IT領域，數據中心的電源、散熱和占地房產成本均大大超過初始硬件成本。新的能源效率標準(例如80+ Titanium)旨在通過提高系統效率來降低這些成本。但由于在更復雜的拓撲結構中采用了額外的元件，如果不抬升物料清單(BOM)成本則難以實現。
在電動汽車市場，車企為了取得成功，需要提高續航里程并降低BOM成本，才能有效地與傳統內燃機(ICE)競爭。為了實現更長距離的續航里程，制造商需要更高容量的電池系統，這可以通過增加電池尺寸或提高功率效率來實現。然而，如果增加電池尺寸，將同時增加車輛重量，從而增加功率消耗。但如果在相同尺寸電池實現更高功率以及更少元件總數量，則可以實現更優異的功率效率，從而可以減輕重量、節省功率，并且最重要的是可以減少用戶“里程焦慮”。
據介紹，Wolfspeed(Cree子公司)新的650V碳化硅器件有助于在幾個方面降低成本。與基于硅的650V MOSFET相比，Wolfspeed器件的導通損耗降低 50%，開關損耗降低75%，功率密度提高了3倍，不僅可以幫助實現更高效率來節省成本，還可以降低磁性元件和散熱裝置的BOM成本。
例如，電動汽車6.6kW雙向車載充電機(OBC)的典型AC/DC部分包括四個650V IGBT，幾個二極管和一個700μH L1電感器，占超過70%的BOM成本。如果該設計采用四個650V碳化硅MOSFET，則僅需一個230 μH L1電感器。與基于IGBT的設計相比，這將使得BOM成本降低近18%。
對比顯示，Wolfspeed碳化硅MOSFET充電機解決方案節約15%總體系統BOM成本
加快上市等于減少了時間成本
半導體廠商通常都通過參考設計為其器件提供廣泛的支持。對于上面提到的OBC應用，Wolfspeed的全球應用工程團隊創建了一個6.6kW的雙向設計，其DC link為380V至425V，電池側輸出為250V至450V。
其AC/DC端采用高效率且具性價比的圖騰柱拓撲，而這是硅基方案在不權衡妥協其復雜性和元件數量的前提下所無法實現的。同時，DC/DC端將開關頻率提高到150kHz至300kHz的范圍——這比硅基方案快了三倍。
采用SiC MOSFET的6.6kW雙向轉換器適用于高效率和高功率密度車載充電應用
很好的總結
據Goldman Sachs統計，在汽車中采用SiC MOSFET增加的成本大約為300美元，而估計節省的成本可達2000美元。因此，2019至2030年，SiC MOSFET市場將占功率半導體增量增長的約50%。
采用SiC MOSFET增加的成本與節省的成本
意法半導體汽車和分立器件產品部大眾市場業務拓展負責人Giovanni Luca Sarica也談到了電動汽車的成本，他說：“通過比較發現，電動汽車整車半導體平均總成本是傳統汽車的兩倍，而電動汽車50%的總成本與功率器件有關。”
Giovanni Luca Sarica
他認為，SiC在電動車制造中可以節約成本。在電動汽車驅動電機和逆變器中，采用SiC MOSFET的逆變器有以下優勢：開關損耗可降低80%;可以直接集成逆變器;無需另外安裝液體冷卻器;熱管理性能更好;充電時間更快。他強調：“與硅基器件相比，SiC的成本優勢不在于器件本身，而是體現在車輛總體成本方面，采用新技術可以為汽車制造商節省很多金錢。”
他的理由是：當采用SiC時，開關頻率可以設計得更高，這將提高器件的能效，降低無源元件的尺寸和成本，因為無源器件在應用系統總成本中占比很高。此外，當采用較小的無源器件時，還可以縮減模塊的整體尺寸，并且可以再一次降低應用整體成本。
半導體廠商不約而同：看系統成本，SiC低于IGBT
他補充說：“在節省成本方面，汽車制造商還可以獲得其它的重要好處。例如，當使用SiC解決方案獲得更高能效時，可以降低動力電池冷卻系統的尺寸，電池冷卻系統是導致總體成本增加的主要因素。這都是SiC給汽車制造商帶來的實實在在的成本效益。所有這些要素對于新能源汽車的市場普及極為重要，政府產業鼓勵政策固然
