PV逆变器应用市场需求升温 推动SiC功率元件发展

摘要：  SiC功率元件具高频和耐高温特性，不仅可较传统硅功率半导体，提供更高的电源转换效率，更可减少所需的电容和感测器数量，已吸引愈来愈多太阳能逆变器制造商青睐。

关键字：  逆变器，感测器，太阳能

碳化硅(SiC)功率元件正快速在太阳能(PV)逆变器应用市场攻城掠地。SiC功率元件具高频和耐高温特性，不仅可较传统硅功率半导体，提供更高的电源转换效率，更可减少所需的电容和感测器数量，已吸引愈来愈多太阳能逆变器制造商青睐。

以宽能隙(Wide Bandgap， WBG)半导体碳化硅(SiC)制造的功率元件(Power Device)，相当适合高功率、高频率及高温环境的应用，近来已有许多逆变器制造商导入产品设计，推升SiC元件产值于2012年达到7，600万美元，发展至2020年更将上看2亿美元。

另外，业界也普遍认为SiC元件有机会在电动车(EV)市场崛起，但目前仍充满不确定性，主因系不清楚电动车制造商是否会采用，以及何时导入，因此对SiC元件大量商用的时机，业界仍没有确切时间点，且技术上还有一些问题。

随着SiC元件技术发展、市场应用逐渐成熟，制造重心则将逐渐从美国、欧洲转移至日本和其他亚洲国家(图1)，以因应市场需求。

具高频/耐高温特性　SiC获逆变器厂青睐

第一个采用SiC元件的是伺服器制造商，主要应用于高阶伺服器的电源供应器功率因素校正(PFC)，太阳能逆变器(Inverter)则是第二个广泛导入SiC元件的产品，车用市场尚未见其踪迹。

未来，SiC元件在逆变器应用将有不少成长空间，至2015年可望成为主要出货市场(图2)，虽目前每家逆变器制造商产品线的几十个型号中，只有一至两个采用SiC，渗透率相当低;但从反面角度思考，这代表SiC在该应用领域还有很多发挥空间。

图1　2002～2020年SiC元件产值区域性占比预测

部分逆变器业者已同时推出采用SiC二极体、IGBT或MOSFET的产品阵容，更有少数提供全系列SiC逆变器。不过，现阶段SiC逆变器在市面上仅能称作试水温的产品，相关业者仅简单替换传统硅元件，花最少的设计工夫得到一些转换效率的提升，意味着SiC的优势还未完全被利用;因此，下一阶段逆变器业者已计划针对SiC高频率及耐高温特性，全面革新系统设计架构，以减少所需的电容和感测器数量，进一步提高产品性价比。

图2　2010～2020年SiC元件应用领域变化

Yole Developpement已与System Plus Consulting合作，剖析SiC取代逆变器中传统硅元件带来的优势，其中，最显著的效能改善在于可将标准转换频率由12KHz提升至32KHz，如此一来，在同等效能的情况下，50kW SiC逆变器到2020年将比硅逆变器还便宜，有助缩短SiC投资回收的时间;而此一优势亦有助逆变器厂商加速导入SiC元件，将使该元件产值在2020 年达到2亿美元。

除太阳能逆变器外，电动车、油电混合车(HEV)充电转换器未来亦可望扩大导入SiC元件，进一步缩减系统体积与重量。

电动车认证牛步　SiC应用发展陷迷雾

尽管SiC功率元件在车用市场极具成长潜力，然而，汽车认证可能要花费高达5年的时间，所以即使电动车及油电混合车的充电转换器等认证正在进行，SiC元件在2015年前能否成功取得车厂青睐仍未可知。

除车厂认证时程缓慢外，SiC也面临其他耐高压元件崛起的挑战，包括硅超接面金属氧化物半导体场效电晶体(Super Junction MOSFET)、绝缘闸双极电晶体(IGBT)，以及宽能隙氮化镓(GaN)元件等，产品定位均与SiC相近。

因此，Yole Developpement于今年5月发表的最新SiC产业分析报告中，即预测未来SiC产业发展的两个状况，较为乐观的情况是SiC元件自2015年起，开始用于电动车或油电混合车上，并于2020年瓜分既有的IGBT市场占有率达11%;至于悲观的情况则是2017～2018年才开始被车厂导入电动车，因而使SiC元件供应商转战太阳能逆变器市场，并在2020年成为首要应用。