在半導(dǎo)體市場上，寬能隙技術(shù)廣泛應(yīng)用，其中碳化矽和氮化鎵是兩種具有不同特性的材料。碳化矽主要用於汽車和工業(yè)領(lǐng)域的大功率系統(tǒng)設(shè)備。由於中國和亞洲地區(qū)的電動汽車市場蓬勃發(fā)展，相較於歐美國家，其成長速度更為迅速，因此在汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，碳化矽元件在電動汽車的動力總成、車載充電器和充電站中得到廣泛應(yīng)用。未來，隨著汽車和工業(yè)大功率電源解決方案的快速、大規(guī)模採用，碳化矽的市場需求也將會持續(xù)增長。

相對於碳化矽，氮化鎵在低功率應(yīng)用方面表現(xiàn)更為優(yōu)秀，其開關(guān)頻率更高，有助於實現(xiàn)系統(tǒng)級小型化，甚至比碳化矽更為優(yōu)越。因此，氮化鎵在許多消費性應(yīng)用中具有廣泛應(yīng)用前景，如筆記型電腦的電源和行動裝置的電源轉(zhuǎn)接器。同時，由於氮化鎵具有整合控制單元的能力，也可用於開闢新的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，氮化鎵還適用於工業(yè)和汽車應(yīng)用，特別是充電系統(tǒng)，但是，其可靠性需得到提升。目前，改進氮化鎵技術(shù)性能和可靠度，以實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，是未來需要解決的技術(shù)瓶頸。

開關(guān)頻率優(yōu)勢

意法半導(dǎo)體汽車和離散元件產(chǎn)品部（ADG）執(zhí)行副總裁暨功率電晶體事業(yè)部總經(jīng)理Edoardo Merli指出，碳化矽和氮化鎵這種寬能隙材料，在功率利用和開關(guān)頻率方面具有獨特的優(yōu)勢。這兩種材料的導(dǎo)電特性略有不同，碳化矽可以提供更高的功率並提升開關(guān)頻率，而氮化鎵則更適合低功率應(yīng)用，能夠消耗更少的電能，甚至可以使系統(tǒng)更小型化。這兩種材料與現(xiàn)有的矽科技互補，但也存在一定的重疊。未來，廠商們將持續(xù)改進和優(yōu)化這些技術(shù)，以滿足不斷變化的需求。然而，這些新材料也帶來了一些限制和挑戰(zhàn)，需要進一步深入了解和突破。

由於寬能隙材料本身的特性，使得碳化矽和氮化鎵元件在效能和開關(guān)性能方面表現(xiàn)出色。至於控制碳化矽可以用常規(guī)驅(qū)動器，但是其驅(qū)動電壓值與傳統(tǒng)矽基電晶體不同，驅(qū)動電壓是碳化矽技術(shù)的一個重要參數(shù)，半導(dǎo)體廠商正致力於研究根據(jù)不同的應(yīng)用情境，來提供不同的驅(qū)動電壓值，並開發(fā)碳化矽專用驅(qū)動器。

圖一 : SiC與GaN的優(yōu)勢與差異（source：STMicroelectronics）

加速電動車普及

碳化矽可用於製造牽引逆變器、充電樁、DC-DC轉(zhuǎn)換器等配套設(shè)備，提供電動車更長的行駛里程和減輕車輛重量。

碳化矽的應(yīng)用涵蓋領(lǐng)域包括汽車製造和工業(yè)應(yīng)用等，許多優(yōu)勢對終端使用者都是顯而易見的。以電動汽車製造為例，碳化矽可用於製造牽引逆變器、充電樁、DC-DC轉(zhuǎn)換器等配套設(shè)備。這些設(shè)備能夠提供更長的行駛里程和減輕車輛自重，使用者在使用過程中可以直觀感受到這些優(yōu)勢。此外，碳化矽還可以提供性能更強的電動汽車充電站，加快充電速度、縮短充電時間，進而促進電動汽車的推廣和普及。

意法半導(dǎo)體車用和離散元件產(chǎn)品部策略業(yè)務(wù)開發(fā)負責(zé)人Luca Sarica指出，汽車市場正加速往電動汽車的方向發(fā)展。如果將傳統(tǒng)汽車與電動汽車進行比較，會發(fā)現(xiàn)電動汽車增加了四、五類新的電子模組，包含電驅(qū)逆變器、車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器，及電池管理系統(tǒng)等。每種電子模組所包含的電子元件數(shù)量相當(dāng)多，這對於半導(dǎo)體供應(yīng)商來說是一個新的商機。

而新增的半導(dǎo)體元件成本，扣除去常規(guī)電子元件，每輛汽車新增的半導(dǎo)體元件成本高達1,000美元，也就是說，新增的電子元件幾乎有九成都來自於電源設(shè)備。每一個應(yīng)用、每一個電子模組都需要電源解決方案驅(qū)動，而每一個應(yīng)用也都需要像大腦一般的數(shù)位化解決方案，這其中就要透過類比元件來幫助驅(qū)動應(yīng)用，將大腦與電源連接起來。

傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)型至現(xiàn)代化汽車的另一個關(guān)鍵，是軟體定義汽車及汽車所採用的新架構(gòu)。導(dǎo)致汽車半導(dǎo)體元件增加的另外四個主要因素，第一是新的汽車架構(gòu)以及為了使更複雜的軟體平臺運作，所需新增加的先進微控制器及處理器。而這也是車用市場和消費市場融合的結(jié)果，除了能跑越來越多的里程數(shù)，還能與雲(yún)端的連線，並運作非常複雜又需隨時更新的軟體。而另外包含ADAS和自動駕駛汽車中的視覺系統(tǒng)、V2X 和互聯(lián)、以及雷達系統(tǒng)等因素亦同等重要。

車用領(lǐng)域的重大變革

Luca Sarica說，汽車市場是意法半導(dǎo)體的核心業(yè)務(wù)。目前，ST正從傳統(tǒng)汽車邁向電動及連網(wǎng)汽車轉(zhuǎn)型。這個轉(zhuǎn)型趨勢代表車用領(lǐng)域發(fā)生了重大變革，亦同時帶動了半導(dǎo)體的商機。順應(yīng)這兩大趨勢的過程中，車用半導(dǎo)體元件數(shù)量飛速成長。一輛傳統(tǒng)汽車中半導(dǎo)體元件的成本，大約是500美元，然而，如果再統(tǒng)計一輛新軟體定義電動汽車中的半導(dǎo)體元件的成本，預(yù)估大約落在1,500至2,000美元，也就是傳統(tǒng)汽車的三至四倍。

圖二 : 全球電動汽車革命正在加速（source：STMicroelectronics）

ST在過去幾年當(dāng)中，在電動汽車與汽車電動化領(lǐng)域投入大量資金，包含投資新的寬能隙（WBG）技術(shù)及解決方案，像是碳化矽（SiC），以及氮化鎵（GaN）。目前，尤其是在碳化矽領(lǐng)域，意法半導(dǎo)體是在汽車產(chǎn)業(yè)中提供解決方案並支援客戶製造超高效能電動汽車的企業(yè)。

在數(shù)位化領(lǐng)域，ST不僅止於投資新技術(shù)，還予以創(chuàng)新，以因應(yīng)轉(zhuǎn)型於軟體定義汽車的需求。其中，ST投資開發(fā)了名為FD-SOI的數(shù)位技術(shù)，該技術(shù)配備嵌入式非易失性記憶體和相變記憶體（PCM），是ST Stellar MCU統(tǒng)一數(shù)位平臺的主力。此平臺主要適用於連接雲(yún)端的現(xiàn)代汽車，因為連接雲(yún)端的現(xiàn)代汽車所需之運算能力高出傳統(tǒng)汽車10倍以上，因此，ST Stellar統(tǒng)一數(shù)位化平臺便成為軟體定義汽車的重要基礎(chǔ)。

汽車的動力系統(tǒng)發(fā)展正在從內(nèi)燃機（ICE）轉(zhuǎn)向電動機，這是一個不可阻擋的趨勢。許多老牌傳統(tǒng)車商已經(jīng)宣布了燃油車停產(chǎn)計畫。寬能隙半導(dǎo)體的應(yīng)用可能會影響並加速汽車電動化進程，因為車商一直在努力提升汽車的效能、延長續(xù)航里程並減少充電間隔。只有寬能隙半導(dǎo)體才能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)，協(xié)助汽車向永續(xù)出行的方向發(fā)展。

結(jié)語

碳化矽MOSFET被廣泛採用的主要原因是它可以減少功率轉(zhuǎn)換過程中的電能損耗，具有較低的耗散功率。因為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗較低，使得效能這個關(guān)鍵參數(shù)可以得到明顯的改進。

效能的提升能夠降低傳統(tǒng)能源，例如石油或煤炭等的使用量，進而減少環(huán)境污染，並擴大太陽能或風(fēng)能等可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。效能提升還能夠讓電動汽車製造商推出一次充電便可行駛更長距離，且充電頻率更低的車型，進而成為人們心目中真正的燃油車替代品。