SiC

意法半導體(ST)宣布完成對瑞典碳化矽(SiC)晶圓製造商Norstel AB(Norstel)的完整收購。在2019年2月宣布首次交易後，意法半導體行使期權，完成收購剩餘的45％股份。Norstel併購案總金額達1.375億美元，由現金支付。 意法半導體總裁暨執行長Jean-Marc Chery表示，在全球碳化矽産能受限的大環境下，併購Norstel將有助於強化ST內部的SiC生態系統，同時提升該公司的生產彈性，讓公司能夠更完善地控制晶片良率和改善品質，並支援碳化矽長期的產品規劃和業務發展。實施此次併購與第三方簽署晶圓供應協議，目的是為確保晶圓的供給量，以滿足在車用和工業領域之客戶在未來幾年對於MOSFET和二極體成長的需求。 Norstel將被整合到意法半導體的全球研發和製造業務中，並持續研發150mm碳化矽裸片和外延片生產業務，以及研發200mm晶圓和更廣泛的寬能隙材料。

Cree和意法半導體(ST)宣布，雙方將現有碳化矽(SiC)晶圓多年長期供貨協定總價提升至5億美元以上，並延長協定有效期限。這份延長供貨協議相較原合約總價提升一倍。依照協議，Cree在未來幾年將向意法半導體提供150mm碳化矽裸晶圓和磊晶晶圓。增加晶圓供應量讓意法能滿足全球市場，尤其在汽車和工業應用對碳化矽功率元件快速成長的需求。 意法半導體公司總裁暨執行長Jean-Marc Chery表示，提升與Cree的長期晶圓供貨協議將讓該公司碳化矽全球供應變得更彈性。隨著汽車和工業客戶所獲得的專案越來越多，需在未來幾年內提升SiC產品的產量，而這份延長協議將為產能提供更多保障。 Cree執行長Gregg Lowe則表示，碳化矽所帶來之性能的改進對於電動汽車以及太陽能、儲能和UPS系統等下一代工業解決方案具有十分重要的意義。將繼續致力於半導體產業自矽到碳化矽的技術變革，同時延長與意法半導體的供貨協議，以確保滿足全球各應用領域對該解決方案日益成長的需求，促進碳化矽市場發展。 而碳化矽電源解決方案在整個車用市場中的採用率正快速提升，因該產業力求加速從內燃機向電動汽車的轉型以提升系統效率，並使電動汽車具有更長的續航里程和更快的充電速度，同時降低成本、減輕車重以及節省空間。在工業市場中，碳化矽模組可帶來更小、更輕和更具成本效益的逆變器，還能更有效地轉換能量。

寬能隙功率半導體(SiC，GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件，能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低，讓整體運作功率大幅下降，同時明顯降低設備的體積、重量及價格。為此，寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞，且已逐步進入量產階段，終端產品亦已開始銷售。 然而，寬能隙材料的功率元件，最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上，在終端產品相繼於市場亮相的同時，也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加，為此，量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案，不僅滿足高電壓、高電流測試需求，並進一步縮短產品開發時程。 滿足高電壓/電流測試儀器/探棒雙升級 太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪(圖1)表示，在相關的技術瓶頸逐漸被克服後，寬能隙解決方案相繼出現，像是採用GaN的變壓器、充電器等；相關產品陸續問世，也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。 圖1　太克科技應用工程師陳思豪表示，高電壓和高電流為測量寬能隙元件首先碰到的挑戰。 陳思豪指出，寬能隙元件的測量，首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高，而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流，而為量測這項特性，測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升，例如以往最高承受度是1,000V，現在可能要到2,000~3,000V。 為此，太克備有Keithley 2657A，該產品專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計，例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等，以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。 至於Keithley 2651A，則是專門因應高電流測試，該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A)，或最高可達200W的直流功率(例如±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A)；可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。 另一方面，要量測寬能隙解決方案，除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外，週邊設備如治具、探棒等性能也必須跟著提升。 以探棒為例，太克科技業務經理吳道屏(圖2)說明，寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方，例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低，可實現快速切換速度，且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少；因此，在量測的時候需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻，並且減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓，因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。 圖2　太克科技業務經理吳道屏指出，不僅量測儀器須符合寬能隙元件的特性，連探棒性能/規格也須跟著提升。 吳道屏指出，這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外，連帶推動探棒性能也跟著增加，傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計，因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符，或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200MHz，而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800MHz~1GHz)。 基於此一原因，太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比，讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號。另外，該產品可以在高達100MHz的環境中提供100萬：1(120dB)的共模抑制，而在1GHz的環境中提供10000：1(80dB)的CMRR。若使用IsoVu，工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1GHz)的情況下，準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。 吳道屏表示，簡單來說，IsoVu和其他商用探棒不同，其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變，從而將待測裝置與示波器進行電器隔離；且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術，具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。 當然，除了高電壓、高電流之外，寬能係元件還有其他量測重點，像是動態電阻測試。陳思豪說明，高電流、高電壓是屬於I-V特性的靜態量測，然而，要真正看出寬能隙元件的特性，另一個不能缺少的便是動態電阻測試。 陳思豪指出，動態電阻測試的目的在於，當元件瞬間遭遇大電壓時，會出現電流變小的情況，雖說這只是暫時性(約幾秒鐘)，卻也會對產品產生影響；動態電阻測遂成為寬能隙元件測試的重要項目之一。 一站式方案+模擬軟體降低測試難度 是德科技(Keysight)行銷處資深專案經理郭丁豪(圖3)表示，傳統IC(邏輯IC)的要求都是低功率，因此在量測的重點多是與省電相關，像是低電流、低功耗等。但寬能隙元件的用途與傳統IC截然不同，多用於高功率的應用，因此其所需的電壓、電流是完全不同等級的，有可能是數百安培、數百/數千伏特，因此量測儀器的規格和效能也須跟著改變。 圖3　是德科技行銷處資深專案經理郭丁豪說明，寬能隙元件多用於高功率應用，因此所需的電壓、電流是和傳統IC截然不同。 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖4)也透露，除了電壓、電流的不同之外，寬能隙元件的另一特點便是高切換速率。當切換速率越來越快，損耗越來越低，同時又要滿足大電壓、大電流，此時就必須添加動態參數量測，也就是所謂的Double Pulse Test(DPT)，檢測寬能隙功率元件的切換時間、延遲等。換句話說，針對SiC、GaN這類寬能隙元件進行特性分析的時後，靜態與動態的量測都必須執行。 圖4　是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙透露，寬能隙元件的另一特點是高切換速率，因此動態參數也是量測重點。 為此，是德科技備有一站式的量測解決方案「PD1000A」，該方案包含B1505A和B1506A功率元件分析儀可提供必要的靜態量測；而關鍵的動態參數，則是可透過「PD1500A」動態功率元件分析儀進行量測。 該產品具備雙脈衝測試功能，提供可靠、可重複的寬能隙半導體量測方式，能縮短設計時間並且減少所需的原型數量，進而降低成本並加快上市速度；並確保測試環境安全，記錄、支援並維護現成的測試解決方案，且可在一個或多個站點上維護多個測試解決方案。同時，針對著重耐用性的量測，該產品還可迅速因應其可靠性考量(例如短路和崩瀉)，簡化測試程序並加以自動化。 蕭舜謙指出，由於高功率元件、產品或應用(如電廠、汽車)，都牽涉到高電壓、高電流，一旦出現問題，都容易對人身安全造成相當大的危害，因此在設計的過程中一定是要經過反覆的驗證。寬能隙功率元件設計的過程中，除了須有相對應的硬體設備進行量測外，模擬軟體也扮演相當重要的角色。 蕭舜謙進一步說明，過往的設計流程通常是先做出一個「理想模型」，接著再進行電路模擬、量測，發現不符合的地方再逐一修改，最後可能要經過好幾個版本的調整後才能夠製作出完善的產品，而這樣的方式相當耗費時間和成本。因此，透過模擬軟體可改善此一困境，實現有效的優化電路設計，且節省開發時間及成本。 為此，是德科技也備有積體電路特性化及分析程式(IC-CAP)元件建模軟體。該軟體能夠萃取用於高速/數位、類比和功率射頻電路設計應用的精確且簡易的模型，對矽晶CMOS、Bipolar、化合物砷化鎵(GaAs)、GaN和許多其他元件技術進行建模。 IC-CAP優勢還包括：開放軟體架構確保最佳的準確度，並提供最大靈活性，能建立和自動執行量測、萃取和驗證程序；適用於BSIM3/BSIM4、PSP和HiSIM等產業標準CMOS模型的統包式萃取解決方案，可顯著縮短學習過程，提高模型準確度；還可直接連接商業模擬器，確保萃取的模型與電路設計工程師所使用的模擬器之間的一致性。 郭丁豪指出，簡而言之，寬能隙元件和以往邏輯IC量測重點可說是大不相同，而該公司推出一站式(Turnkey)解決方案(PD1000A)，再加上模擬軟體，除了滿足目前市場的量測需求外，最主要的目的是縮短元件商/OEM業者的產品測試時程、減少複雜度，進一步加快產品上市時程。 滿足高電壓/電流後　可靠度是下個測試挑戰 羅德史瓦茲(R&S)Regional Engineering Support & Training Manager Nick Tang(圖5)則說明，基本上，寬能隙方案的量測，主要是需要滿足高頻量測和高電壓容差兩個要求，特別是高度的共模要求。然而對於生產而言，其要求是如何複製和減少這些寬能隙產品上的一些典型測試項目，而最急迫的考量仍然是產量比率，而現階段的重點在於量測方法，以確保更高的產量。 圖5　羅德史瓦茲Nick Tang指出，要量測寬能隙元件，就示波器而言，關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。 至於在量測儀器方面，就示波器而言，關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。這些通常需要更高的電氣類別等級，也就是需要更好的絕緣性能以保護使用者和設備。通常在這樣的等級下，頻寬效能是有限的。透過更好的導通電阻，將這些元件特性化的典型量測也需要更好的靈敏度。另一個關鍵問題是電磁干擾(EMI)雜訊，快速的邊緣速率和高電壓轉換將會更高並且可以耦合到量測設備中。 至於軟體要求方面，目前仍處於起步階段。當生產增加時，自動化測試系統的開發需求將隨之增加，因此也需要針對這些設備開發測試案例。另一項重大發展則是電源控制器，其運作頻率也將會提升。然而，這些方法長期以來一直運用在高速IC中，關鍵領域是開關控制、功率因數校正，以及有些可能需要在硬體拓撲(Hardware Topology)和軟體中進行的熱能控制。 另一方面，陳思豪表示，要成功將寬能隙元件商業化，除了電壓、電流和動態電阻等要素外，可靠度也是其中一項測試關鍵。目前雖說有JEDEC規範，但每家廠商對於產品的要求都不同，因此也會衍生每間公司對於產品有著不同的驗證手法和需求。所以，寬能隙方案目前在可靠度測試方面，都是曠日廢時，需要花上一段時間。為改善此一情形，目前已有學界單位研發出Step Stress的量測方式，並已獲得電源供應元件業者採用。 Nick Tang則說，從過往經驗來看，標準規範並沒有定義功率規格。絕大多數的測試案例是根據不同供應商的要求所開發出來的。這點仍然是業界常態，不同的產品主要在於適用不同的應用環境。因此，標準化的測試案例不太可能獲得廣泛採用。以JEDEC來說，因為沒有商標或標準測試機構來驗證產品，其規範可作為基本需求的參考。大多數的供應商仍會採用這些新技術並修改他們目前的測試方法，但不太可能對該解決方案進行大幅度修改。

寬能隙功率半導體(SiC，GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件，能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低，讓整體運作功率大幅降低，同時大幅降低設備的體積、重量及價格。為此，寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞，且已逐步進入量產階段，終端產品亦已開始銷售。 然而，寬能隙材料的功率元件，最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上，在終端產品相繼於市場亮相的同時，也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加，為此，量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案，不僅滿足高電壓、高電流測試需求，並進一步縮短產品開發時程。 太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪表示，在相關的技術瓶頸逐漸被克服後，寬能隙解決方案相繼出現，像是採用GaN的變壓器、充電器等；相關產品陸續問世，也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。 太克科技應用工程師陳思豪。 陳思豪指出，寬能隙元件的測量，首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高，而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流，而為量測這項特性，測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升，例如以往最高承受度是1,000V，現在可能要到2,000~3,000V。 為此，太克備有Keithley 2657A，專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計，例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等，以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。至於Keithley 2651A，則是專門因應高電流測試，該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A)，或最高可達200W的直流功率(±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A)；可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。 另一方面，要量測寬能隙解決方案，除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外，週邊設備如治具、探棒等性能也須跟著提升。以探棒為例，太克科技業務經理吳道屏說明，寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方，例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低，可實現快速切換速度，且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少；因此，在量測時需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻，並減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓，因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。 太克科技業務經理吳道屏。 吳道屏指出，這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外，連帶推動探棒性能也跟著增加，傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計，因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符，或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200M，而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800m~1G)。 基於此一原因，太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比，讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號；可在高達100MHz的環境中提供100萬：1(120dB)的共模抑制，而在1GHz的環境中提供10000：1 (80dB)的CMRR。若使用IsoVu，工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1 GHz)的情況下，準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。 吳道屏表示，簡單來說，IsoVu和其他商用探棒不同，其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變，從而將待測裝置與示波器進行電器隔離；且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術，具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。

基於寬能隙材料的功率半導體已經進入商業量產，而相較於主攻高電壓應用市場的碳化矽(SiC)，氮化鎵(GaN)則是在消費類找到應用商機；而為滿足消費性產品對成本、體積、效能的要求，高整合解決方案成為電源元件供應商拓展GaN市場的主要利器，例如Power Integrations近期所推出的InnoSwitch3 AC-DC轉換器IC，其特色便是將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中。 據悉，Power Integrations日前推出新一代InnoSwitch 3系列離線CV/CC返馳式切換開關IC，而在最新發布的系列產品中，GaN切換開關取代了IC一次側的傳統矽高壓電晶體，減少電流流過時的導通損耗，並大幅降低了運作期間的切換損失，減少能源浪費；而值得一提的地方是，為實現更精準的同步整流(Synchronous Rectification, SR)，該系列產品將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中。 Power Integrations培訓總監Andrew Smith表示，過往的同步整流設計，一次側和二次側通常是各自獨立，而非在同一封裝之中，二次側要「開」或「關」，往往是依據一次側導入的電流或電壓波形進行判斷。然而，電源供應並不是固定負載(也就是同一電流、電壓穩定輸送)，消費者常常會突然插拔充電器、插頭等，在快速變動的情況下，一次側、二次側的溝通有時會出現「誤差」，也就是二次側跟不上一次側的指令，兩者無法同步，電源供應器便會產生故障。 Power Integrations培訓總監Andrew Smith(右)表示，整合一次側和二次側有助實現更精準的同步整流。 Smith指出，為克服此一情況，降低故障率，同時提升使用效率，該公司便決定將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中，並透過磁耦合連接一次側與二次側，使兩者的「溝通」更加容易，以精準的實現同步整流，不僅降低電源供應器故障率，也可以透過整合方式減少產品尺寸、成本，並提升效能，滿足行動裝置、機上盒、顯示器、家電、網路和遊戲產品的USB-PD和高電流充電器/轉換器等高效率返馳式設計。

目前工業傳動通常採用一般所熟知的矽基IGBT逆變器(Inverter)，但最近開發的碳化矽MOSFET元件，為這個領域另外開闢出全新的可能性，不但每單位面積的導通電阻非常之低，切換效能絕佳，而且跟傳統的矽基續流二極體(FWD)相比，內接二極體關閉時的反向恢復能量仍在可忽略範圍內。考量到幫浦、風扇和伺服驅動等工業傳動都必須持續運轉，利用碳化矽MOSFET便有可能提升能源效率，並大幅降低能耗。本文將以意法半導體(ST)旗下的碳化矽MOSFET產品為例，比較1200 V碳化矽MOSFET和Si IGBT的主要特色，兩者皆採ACEPACK封裝(表1)，同時利用ST的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實驗數據和統計測量結果套用在模擬當中，模擬20kW的工業傳動，並評估每個解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統的要求。 矽基IGBT應用限制 以逆變器為基礎的傳動應用，最常見的拓撲就是以六個電源開關連接三個半橋接電橋臂。每一個半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載(馬達)上的硬開關換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關係，每次換流都需要六個反平行二極體執行續流相位。 當下旁(Lower Side)飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會和上旁(Upper Side)開關相同，反之亦然；因此，開啟狀態的換流就會電壓過衝(Overshoot)，造成額外的功率耗損。這代表在切換時，二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響，因此也會影響整體的能源效率。跟矽基FWD搭配矽基IGBT的作法相比，碳化矽MOSFET因為反向恢復電流和恢復時間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。 圖1和圖2分別為50A-600VDC狀況下，碳化矽MOSFET和矽基IGBT在開啟狀態下的換流情形。請看深色區塊，碳化矽MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時間都減少很多。開啟和關閉期間的換流速度加快可減少開關時的電源耗損，但開關換流的速度還是有一些限制，因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問題惡化。 圖1　開啟狀態的碳化矽MOSFET 圖2　開啟狀態的矽基IGBT 除此之外，影響工業傳動的重要參數之一，就是逆變器輸出的快速換流暫態造成損害的風險。換流時電壓變動的比率(dv/dt)較高，馬達線路較長時確實會增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業傳動的電壓變動率通常在5~10V/ns。雖然這個條件看似會限制碳化矽MOSFET的實地應用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專為馬達控制所量身訂做的1200V矽基IGBT，其實可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個案例當中，無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟矽基IGBT相比，碳化矽MOSFET元件開啟或關閉時都保證能減少能源耗損，即使是在5V/ns的強制條件下。 圖3　關閉狀態的矽基MOSFET 圖4　關閉狀態的矽基IGBT 圖5　比較動態特質 靜態與動態效能比較 以下將比較兩種技術的靜態和動態特質，設定條件為一般運作，接面溫度TJ= 110℃。圖5為兩種元件的輸出靜態電流電壓特性曲線(V-I curves)。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化矽MOSFET的優勢都大幅領先，因為它的電壓呈現線性向前下降。反觀IGBT的電壓呈現非線性下滑(VCE(sat))，這是集極電流的作用之一。即使碳化矽MOSFET必須要有VGS=18V才能達到很高的RDS(ON)，但可保證靜態效能遠優於矽基IGBT，能大幅減少導電耗損。 兩種元件都已經利用雙脈波測試，從動態的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600V匯流排直流電壓，開啟和關閉的dv/dt均設定為5V/ns。圖6為實驗期間所測得數據之摘要。跟矽基IGBT相比，在本實驗分析的電流範圍以內，碳化矽MOSFET的開啟和關閉能耗都明顯較低(約減少50%)，甚至在5V/ns的狀況下亦然。 圖6　動態特色的比較 電熱模擬顯現工業傳動應用效能 為比較兩種元件在一般工業傳動應用的表現，本文利用意法半導體的PowerStudio軟體進行電熱模擬。模擬設定了這類應用常見的輸入條件，並使用所有與溫度相關的參數來估算整體能源耗損。 用來比較的工業傳動，標稱功率為20kW，換流速度為5V/ns。設定4kHz和8kHz兩種不同切換頻率，以凸顯使用解決方案來增加fsw之功能有哪些好處。 因為考量到隨著時間推移，所有馬達通常要在不同的作業點運轉，所以本文利用一些基本假設來計算傳動的功率損耗。依照定義IE等級成套傳動模組(CDM)的EN 50598-2標準，還有新型IES等級的電氣傳動系統(PDS)，將兩個作業點套用在模擬之中：一是50%扭矩所產生的電流，第二個則為100%，對應用來說這代表著輸出電流分別為24和40Arms。 若以最大負載點而論(100%扭力電流)，兩種元件的散熱片熱電阻都選擇維持約110℃的接面溫度。圖7在50%扭力電流和切換頻率4~8kHz的狀況下，比較碳化矽MOSFET和矽基IGBT解決方案的功率耗損。 圖7　50%扭力電流下每個開關的功率耗損 圖8則是在100%扭力電流下以同樣方式進行比較。功率耗損分為開關(傳導和切換)和反平行二極體，以找出主要差別。和矽基IGBT相比，碳化矽MOSFET解決方案很明顯可大幅降低整體功率損耗。有這樣的結果是因為無論靜態和動態狀況下，不分開關或二極體，功率耗損都會減少。最後，無論是4或8kHz的切換頻率，兩種負載狀況的功率耗損減少都落在50%範圍以內。 圖8　100%扭力電流下每個開關的功率耗損 從這些結果可以看出，這樣做就能達成更高的能源效率，減少散熱片的散熱需求，對重量、體積和成本來說也都有好處。表2總結了整個逆變器相關功率耗損的模擬結果(作業點100%)，以及為了讓兩種元件接面溫度維持在110℃所必需的相關散熱片熱電阻條件。在模擬所設定的條件下，當8kHz時Rth會從矽基IGBT的0.22C/W降到碳化矽MOSFET的0.09C/W。大幅減少代表散熱片可減容5:1(就強制對流型態的產品而言)，對系統體積、重量和成本有明顯好處。在4kHz的狀況下，Rth會從0.35降到0.17C/W，相當於4:1容減。 能源效率影響工業成本 當工業應用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關鍵因素之一。為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設定檔和能源成本這些會隨著時間或地點而有所不同的參數，設定一些基本假設。為達到簡化的目的，我們把狀況設定在只含兩種功率位階(負載因素100和50%)的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別，只在於每個功率位準持續的時間長短。為突顯能源成本的減少，我們將狀況設定為持續運作的工業應用。任務檔案1設定為每年有60%的時間處於負載50%，其他時間(40%)負載100%。任務檔案2也是這樣。 對於每個任務檔案全年能源成本的經濟影響，乃以0.14/kWh為能源成本來計算(歐洲統計局數據，以非家庭用戶價格計算)。從表3可以看出，碳化矽MOSFET每年可省下895.7~1415kWh的能源。每年可省下的對應成本在125.4~198.1歐元之間，如電壓變動比率限制不那麼嚴格，則可省更多。 碳化矽MOSFET具成本/效率優勢 本文針對採用1200V矽基IGBT和碳化矽MOSFET之工業傳動用逆變器，進行了效能基準測試。內容還特別探討馬達繞線和軸承保護所導致在電壓變動比率方面的技術限制，接著在20kW工業傳動條件下，針對上述技術與限制進行比較。結果顯示，使用碳化矽MOSFET取代矽基IGBT可大幅增加電力能源效率，即使換流速度限制在5V/ns。比較成本後也發現，在特定的假設條件下，這種做法可減少一般工業傳動應用的能源費用支出。 (本文作者皆任職於意法半導體)

為此，汽車充電必須要採取另一種截然不同的全新方法。目前開進充電站或在充電站停留的概念仍有其關聯性，但或許只適用於較長的旅程。更可行的方式，可能是趁電動車停在公司、購物中心或車站時一邊進行充電，確保汽車隨時充了再開。 電動車充電選項多樣　前瞻性概念逐漸萌芽 多數車輛皆支援透過標準家用的單向交流電(AC)電源進行充電，讓所有消費者能在家利用晚上時間為汽車充電。AC充電解決方案的範圍包括，將車輛接到家裡的電源插座，再接到線上控制與保護裝置(IC-CPD)，最後接到整合在電源插座和車輛之間的小接線盒。部分解決方案可能裝載於壁掛式固定裝置內，也就是所謂的「壁掛式機櫃」充電器。此方法通常會在電源裝置和車輛之間加裝一個通訊元件，並內含接地和保護功能。 不過，電池充電需要的是直流(DC)電源，因此車輛內建的充電電子元件必須將AC轉換為DC。包括空間、散熱、效率和重量等設計限制全都變成限制充電時所能傳送的電池容量，以及限制電池充電速度的因素。再清楚不過的一種做法，就是利用車外通用型DC充電器為各種車輛提供電力，如此便不需要將AC-DC轉換器放在車內(圖1)。  圖1　各種電動車充電選項 隨著各國開始出現大容量電池，許多前瞻性的概念開始萌芽，亦即將這些電源整合到我們日常的電力需求之中。有些概念考慮將這些需求結合到太陽能發電策略中，利用家庭和商業大樓內的再生能源為電動車充電，同時在發生斷電狀況時將其做為備用電力，或是用來緩解尖峰需求。這種Vehicle-to-Building(V2B)方式已在美國底特律市使用一批可雙向輸電的Fiat 500e電動車完成測試。 這個創意甚至還能加以延伸，考量全國的電力需求，將電力需求往上提升，更全面地轉移到再生能源搭配Vehicle-to-Grid(V2G)的實作。荷蘭與三菱汽車(Mitsubishi)合作，利用OUTLAND PHEV進行V2G的試驗，將家庭平均每日用電量儲存在車內。這樣的創意確實增加了充電解決方案的需求，因為它不只需要提供高效率的AC-DC轉換，還需要額外執行DC-AC轉換，以將電力回送到電網內(圖2)。 圖2　替代的充電方式 充電標準儘管同時反映V2B和V2G的需求，但對於如何精準實作到全國或國際上卻未有足夠的說明。其他選項似乎未能得到廣泛的支援，像是用充飽電的電池替換用完的電池。不過，這種解決方案在印度等特定市場較受到青睞，尤其是針對二輪和三輪車及巴士的解決方案。 感應式充電仍是解決一切問題的妙計，讓汽車能利用埋在停車場地底下的線圈，將電力傳送到車上的線圈來充電。雖然這種充電方式已經使用在行動手持裝置上，但對齊兩個線圈的過程中會產生耗損，還有需要傳送的電量，使得這種方法目前只能侷限在特定的使用案例。 複製加油便利性　快速DC充電架構不可少 如果要將內燃機車輛加油的便利性，複製到電動車使用者身上，充電站將需要提供大量電力。典型的22kW充電解決方案可提供AC充電，供應足夠行駛120分鐘200公里的電力，適合用在車主上班時能整天充電的汽車。但如果要將200公里的充電時間縮短到16分鐘，則需要靠150kW的DC充電站。甚至提高到350kW後，供應相同電量所需要的時間，將與現在進入加油站所需要的時間差不多，大約7分鐘。但要注意的是，要加快充電速度，汽車電池也必須支援此充電方式(圖3)。 圖3　充電系統的基本結構 快速DC充電器的終極目標，就是廣泛將架構標準化，包括輸出電壓的範圍和支援的電力傳送。輸入電力預期介於300Vac至400Vac，並透過AC-DC和DC-DC轉換器轉換為連接汽車所需要的DC電壓。另外，也需要實作資料傳輸通道，以提供關於汽車和電池充電狀態的資訊。汽車資訊和車主資料還可成為最終元件的一部分，作為用來處理付款作業的安全資料通道。 雖然目前多數的實作都限定在50kW左右，但目前所定義的仍為350kW高充電功率。電源連接器定義能容納未來所需要的電力汲取，支援最高1000Vdc電壓，200A電流。 針對家庭使用，電力汲取則受限於本地基礎設施。壁掛式機櫃充電器雖然可以供應兩相或三相電力，但無法支援22kW以上的功率。不過，針對原本便設計供大規模電動車充電的環境，像是停車場和高速公路休息站，可以預期將會有完整的充電停車位。10至30kV的中電壓隔離式變壓器能為高功率充電器供電，每一部可供應到最高350kW的功率，同時以全速為多輛汽車進行超快速充電。在變壓器隔離的情況下，除簡化電力電路，也能改善整體效率。 另一方面，充電站也會廣設在商場或購物中心的停車場。充電點的形態與大小將類似於一座加油機，尺寸大約可提供最高150kW的功率。不過，由於是用三相低電壓的電網連線，因此並非所有充電器都能同時以全功率運作(圖4)。 圖4　DC充電生態系統概覽 充電點本身通常會是壁掛式機櫃或充電樁(如上所述的一部直立裝置)。其實作方式包括從單一充電次單元，到日後可隨需升級為更高充電功率的多重次單元。 充電器次單元(經常遭誤解為模組)目前可提供AC轉DC的轉換，最高功率介於15kW至20kW，次單元經過堆疊，可提高充電樁供應的整體功率。 但隨著對加快充電速度的需求提高，趨勢開始轉為使用每部大小約50kW以上的次單元。次單元本身的結構結合了獨立元件或功率模組，主要取決於其想要達成的設計規格。 標準化建構基礎實現安全/充電通用化 汽車的能量來源轉型，衝擊到許多產業，將許多原本鮮少涉及汽車業或甚至完全無關的新廠商拉了進來。與半導體業關係久遠的汽車原始設備製造商(OEM)則為例外，他們的角色能為這個開發中市場的部分其他廠商提供連結。 如同現在的汽車OEM不會自己經營加油站，未來他們也不會將重心放在為電動車提供充電基礎設施，因為這是充電器製造商的工作，這些製造商已有相關的經驗，瞭解如何為類似應用開發電力管理解決方案。至於安裝與管理則交給充電點營運商，他們會設法選出最具能源效率和經過成本最佳化的解決方案；他們的後端系統將管理需求，預測更適當的能源價格，同時處理安全付款機制。最後一片拼圖是能源供應商，他們的支援是確保整個基礎設施專案能實現，確保電網將電力送到需求點的必備要素。 充電樁的標準化工作已經在進行中，目的是為了確保消費者能有一個安全、簡單且全面通用的方式來為其汽車充電。來自歐洲和美國的相關廠商(包括英飛凌)合作成立了CharIN e.V.協會，一個專為開發及推廣聯合充電系統(Combined Charging System, CCS)而設立的組織。他們的規格定義從充電順序和資料通訊，到實作的插頭類型等範圍。此外，也有一些類似的組織成立，在日本推廣CHAdeMO和在中國推廣GB/T等替代方案，另外像Tesla也有自家的專有系統。 CharIN標準可透過單一連接器同時支援AC和DC充電，已獲得國內和國際性標準機構的認證。其AC充電符合IEC 61851第1節和第22節的要求，DC充電則符合第1節和第23節的涵蓋範圍。在插頭和插座方面，則應參考IEC 62196第2部分關於Type 2 AC連接器和第3部分Combo 2 DC連接器(歐盟)，以及第1部分Combo 1連接器(美國)的內容。 快速充電須考量多樣要素 電池充電可視為恆定電流應用的實作，不需要考量過載的情況。一般電池充電是在恆定電流(CC)模式下以¼C實作，其中的C定義電池在一小時內的充電或放電速率。當充電程序達到80%左右時，電流仍會保持固定，但電壓則持續穩定提高，直到達到電池的Vmax。一個200Ah電池組需要的時間大約是4小時，之後電池將改以恆定電壓(CV)模式充電。 快速充電需在前20分鐘用2C的速率為電池充電，後面的階段用1C充電10分鐘，最後則用½C繼續充4分鐘。一個200Ah的電池組可在34分鐘內達到80%電量，約等於300公里的行駛里程。只不過，DC快速充電還是存在許多限制。首先，它受限於所用的電池充電技術。除此之外，電池的配置、熱管理實作，以及電池芯的互連方式也都必須納入考量(圖5)。 圖5　典型的快速充電設定 在充電器方面，CharIN規格設想的最高恆定電流輸出在700Vdc下為500A，支援至最高920Vdc。但電池系統也必須另外建立一些機制，以應付快速充電所導致的衰退情況，並整合最高1000Vdc的隔離功能。最終解決方案的效率應該要達到95%以上，並在日後提升到98%。最後別忘了，300kW耗損1%的效率，等於耗損掉了3kW。此外，纜線在500A全負載下每公尺也會發生100W的功率耗損。 功率循環的影響與其他功率應用相較下偏低，熱循環對私人設備的影響微乎其微，甚至毫無影響，但對公用充電站的設計來說則是一大挑戰。例如，私家車在10至15年使用壽命內每年充電最多5,000次，而大眾運輸車輛(例如巴士)的充電器在15至20年使用壽命期間的充電次數則可能達到30,000次。 遵循兩大方法達到快速DC充電 高功率DC充電器的設計方式主要遵循兩種基本方法，一種是將輸入的三相AC電源轉換為可變的DC輸出，饋入DC-DC轉換器。充電器必須經過與車輛通訊，才能定義出精準的DC電壓；另一種方法是將輸入的AC電源轉換為固定的DC輸出，然後再經由DC-DC轉換器轉換為汽車所需要的電壓(圖6)。 圖6　兩種有潛力的高功率DC充電器方式的方塊圖 這兩種方法都同樣適用於本應用，沒有重大的優點或缺點。但與其將重心放在轉換方法上，最主要的考量還是在於實作如何將所需的散熱效果降到最低、提高功率密度，以及縮小整個系統尺寸。 高功率密度需要靠強制進氣散熱(現行的標準)，但新一代充電解決方案正在尋找可行的水冷式解決方案。精簡型解決方案必然需要考慮更高的切換速度，也就是32kHz至100kHz之間的範圍，以縮小磁性元件的尺寸。 最簡單且符合成本效益的AC-DC轉換方法，就是使用二極體整流器。但其簡化設計讓設計人員只能視本地的三相供應電壓使用固定的輸出電壓，還有不理想的總諧波失真(THD)。雖然線路電流的諧波失真可透過實作多脈衝整流器來加以改善，但卻需要採用更複雜的變壓器和額外的整流二極體。 使用三相主動前端(AFE)則可解決THD的問題，其可以提供正弦形的輸入電流，同時供應可變DC輸出電壓至後續的輸出級。為減輕額外的複雜度，閘極驅動器需使用隔離式電源供應器，另外也需使用輸入濾波器，而這類拓撲已經過詳實的記錄和研究，並已通過考驗，是適合本應用的解決方案。 另一種雖然現行較少使用，但越來越受歡迎的選擇，則是Vienna整流器。這是一種三相三階的PWM整流器，只需要三個主動式開關，並具備雙重升壓型功率因子校正(PFC)(圖7)。可以控制輸出電壓，甚至在電力不平衡或其中一相中斷的情況下也能運作。這種整流器也很堅固耐用，即使控制電路故障，輸出或前端仍不會短路。與AFE相同，其輸入電流為正弦波，各種實作所顯示出來的功率因素最高可達到0.997，THD低於5%，效率達97%以上。 圖7　AC-DC轉換器的整流器與PFC選項 在DC-DC轉換級中，諧振拓撲因效率的緣故而較常被採用。在整體實作需要的情況下，也可在其中加入電氣隔離。此種設計可實現更高的功率密度並縮小體積，尤其在變壓器整合一次側電感器的應用中；零電壓切換(ZVS)能夠降低切換耗損，對提高整體系統效率有所幫助(圖8)。在電網隔離架構中，多重交錯式降壓轉換器是最適合的DC-DC拓撲選擇，其優點包括可跨相分享負載，減少漣波和濾波器的尺寸，但代價是需要的元件數量較多。 圖8　DC-DC轉換主要搭配串並聯LLC諧振轉換器實作 快速DC充電器實作方式 中國市場擁有目前最成熟的快速DC充電實作，普及率達80%(相較下，歐洲、中東及非洲為15%，美洲只有5%)。這裡15kW以下的解決方案最普遍，但預計2020年時20kW會成為最主要的次單元選項，另外到2023年也會出貨大量的30kW和超過60kW的單元。這反映出市場趨勢是往350kW的高功率充電發展。為此，電源方案供應商如英飛凌，開始發展各式矽解決方案，像是功率模組、閘極驅動器IC、微控制器解決方案等，也提供可靠的驗證解決方案和安全控制器，保護付款與系統安全性(圖9)。 圖9　英飛凌的DC電動車充電設計產品 建議採用的方法，取決於欲達到的總功率輸出目標，同時也會影響到次單元的拓撲和建構方式。針對30kW以下的壁掛式裝置和充電樁，建議採用獨立的功率裝置，至於350kW則有專用於實作的功率模組。介於50至150kW之間的應用，是否選擇獨立功率元件或功率模組，則從環境因素、空間和價格作決定。 30kW至150kW為常見解決方案 常見的做法是使用15kW至30kW的次單元建構快速充電器，再將其堆疊成150kW的電動車充電解決方案。採用獨立裝置的15至30kW次單元和充電器實作，則可選擇Vienna整流器來進行40kHz的PFC級切換(圖10)。 圖10　由獨立裝置製成的充電器典型拓撲 用於氣冷系統的三相、380V/50Hz電源，TRENCHSTOP 5 IGBT與CoolSiC肖特基二極體的結合，經過整合後會是很適合具成本考量之應用的解決方案。使用碳化矽(SiC)二極體，其效率比傳統Si二極體高出0.8%，支援的功率輸出也能多出80%。將IGBT換成600V CoolMOS P7 SJ MOSFET，則能改善0.5%的效率。 在DC-DC轉換器中，通常使用諧振轉換器來進行頻率最高達300kHz的切換，並依電池充電電壓供應200V至700V。其中600V CoolMOS CSFD，或用於30mΩ以下RDS(on)的600V CoolMOS CFD7...

氮化鎵(GaN)功率半導體可望大發利市。5G、AIoT時代來臨，許多創新技術應用如自駕車、電動車、無線充電、擴增實境(AR)、工業智動化、無人機，甚至5G基地台，對於能源效率的要求將顯著增加。可較現今矽(Si)功率元件實現更高轉換效率的GaN技術，遂成為各界關注焦點，並吸引許多半導體業者爭相投入布局。 根據市場研究機構Yole Développement指出，與矽功率半導體328億美元的產值相比，GaN功率市場規模仍相當小，但該技術已開始滲透至各種應用領域，其中，又以電源供應為主要應用，如手機的快速充電器。 據了解，Anker可以說是目前市場上導入GaN功率技術最積極的行動週邊裝置製造商，其行動充電器PowerPort Atom PD第一代至第三代，以及PowerPort系列部分產品，和另一個PowerCore Fusion產品，都已開始導入GaN技術。另外，Aukey、RavPower、Mu One等廠商也有採用。 行動週邊裝置品牌廠Anker自2018下半年起，已開始導入GaN功率元件，打造兼具輕巧、高功率密度的充電器。(圖片來源：Anker) 除了行動充電器外，自駕車光達(LiDAR)、資料中心伺服器、電動車，以及無線充電，亦是GaN功率半導體極具成長性的應用。Yole認為，GaN功率半導體能帶來更高的節能效益，因此相關技術研發能量不斷增加，商用產品也開始問世，整體GaN功率元件市場規模自2016年起已逐步放量；若情況樂觀，預估2017~2023年的複合成長率(CAGR)可高達93%，達到4.23億美元規模。 Yole Développement預估，在最佳狀況下，2017~2023年GaN功率半導體市場將可達到93%的年複合成長率。(資料來源：Yole Développement) 大廠加入量產行列　GaN發展更入佳境 2018年6月，功率半導體大廠英飛凌(Infineon)正式宣布於年底開始量產CoolGaN 400 V及600 V e-mode高電子遷移率電晶體(HEMT)，為GaN功率技術的發展打了一劑強心針。 Yole技術與市場分析師Ezgi Dogmus認為，這家電源解決方案的領導廠商開始量產GaN的宣布，對GaN功率元件市場來說是一個重要的象徵。目前英飛凌已經擁有許多客戶在使用他們的矽解決方案，而未來這些客戶都有機會能轉移到GaN技術。 英飛凌高電壓轉換部門資深協理Steffen Metzger表示，GaN市場已經獲得強大動能，在特定應用中採用此項技術帶來大幅優勢。從降低營運支出及資本支出，提升功率密度實現更精巧輕盈的設計，乃至於減少整體系統成本，產生的效益相當具有說服力。英飛凌深信，GaN是電源管理的下一個明日之星。該公司已經做好所有準備，以達成在GaN電源方面成為客戶首選的目標。 就在英飛凌發布GaN量產消息後沒多久，意法半導體(ST)也宣布要由原本碳化矽(SiC)的發展，擴大延伸到GaN技術領域，將和法國技術研究機構CEA-Leti合作研發GaN-on-si技術，利用Leti的8吋研發產線進行二極體和電晶體開發。雙方預期在2019年完成驗證工程樣品。同時，意法半導體也預計2020年將在該公司位於法國圖爾市的前段晶圓廠中，建造完全符合規範的生產線(包含GaN-on-Si異質磊晶製程)，以做為初期生產之用。 除了整合元件製造商(IDM)發展力道愈來愈強，這些年來聚焦GaN功率元件開發的新創公司也不斷冒出，前面提及的EPC、Transphorm、GaN Systems是相對較早成立的，其他還有Tagore、Exagan、Navitas、VisIC、Dialog Semiconductor、GaNPower International、NEXGEN Power Systems等。 這些新創大都是無晶圓廠(Fabless)的公司，選擇以委外給晶圓廠生產的商業模式，多半使用台積電、漢磊(Episil)或X-Fab做為他們主要選擇。未來，一旦市場規模擴大，晶圓代工的商業模式將讓這些無晶圓廠新創公司有望快速成長茁壯。 顯而易見，現今的GaN功率元件市場可說是老將新秀同台較勁、競相逐鹿，使得整體市場戰火正快速升溫，為了端出更具競爭力的產品方案，許多廠商已積極投入整合型方案研發。 目前市場上的整合型GaN功率元件可概分為兩種，一種是封裝層級的整合，將GaN電晶體與驅動器整合成單一封裝，多半針對650V以上的應用；另一種是在裸晶層級上整合GaN電晶體與驅動器，也就是達到所謂的單體式整合(Monolithically Integrated)，此類產品供應商以EPC和Navitas為代表，多半針對600V以下的消費性應用。 由於消費性應用如行動裝置充電器，需求規模龐大，對GaN業者而言，是滋養茁壯的重要養分，因此為了迎合市場輕巧外觀的設計要求，走向高整合設計方案將勢在必行。 imec製程技術助攻　GaN加速實現單體整合 有鑑於市場對更高整合度GaN功率元件的發展需求，奈米電子和數位科技研究與創新中心imec，利用其GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術平台，發布一款與驅動器單體整合且功能完整的GaN半橋IC。 半橋是一種在電力系統中常見的次電路，是由離散元件所組成，特別是用在較高電壓範圍的應用。要利用GaN-on-Si技術在晶片上實現半橋電路，極具挑戰，特別是高電壓的設計，這是因為基於GaN-on-Si技術所設計的半橋電路，會產生「後閘效應(Back-gating Effect)」，進而對半橋電路的高側端開關(High-side Switch)造成負面影響，而切換雜訊也會對控制電路造成干擾，抑制整體效能表現。 imec解決方案是建立在imec的GaN-on-SOI和GaN-on-QST技術平台，透過埋入式氧化物(Buried Oxide)和氧化物填充的深溝槽隔離設計，讓功率元件、驅動器和控制邏輯能夠達到電氣隔離。這種隔離機制能減少有害的後閘效應對半橋高側端開關的負面影響，更能減少切換雜訊對控制電路的干擾。 此外，imec的技術平台也藉由整合電位轉換器(Level Shifter)(用來驅動高側開關)、停滯時間控制器(Dead-time...

根據產業研究機構Yole Développement(Yole)碳化矽(SiC)功率半導體市場產值到2024年將達到19.3億美元，該市場在2018年到2024年之間的年複合成長率達到29%。而汽車市場無疑是最重要的驅動因素，在2024年汽車應用約占總市場比重的50%。 主要市場驅動因素是汽車市場，Yole在其SiC報告中宣布。預計2024年汽車市場總量將達到約10億美元，市占率為49%。SiC已經在OBC中使用，並且這種應用將在未來幾年中得到廣泛開發。隨著特斯拉導入SiC技術，市場已經達到了不可逆轉的地步，關於其他汽車廠商是否也會採用的討論是今年的熱門話題。繼特斯拉之後，比亞迪也將發表SiC逆變器。 最近，汽車產業已投入超過3000億美元用於電動車(xEV)的開發，這與傳統內燃機汽車市場形成鮮明對比，xEV市場是Si功率元件的主要市場驅動因素。在採用SiC的背後，Yole的分析師也指出了封裝問題。根據Yole的報告，只有意法半導體和丹佛斯有能力提出他們的專業知識，在SiC供應鏈中仍然存在許多挑戰。  

近年來，由於氮化鎵(GaN)在高頻下的較高功率輸出和較小的占位面積，GaN已被RF工業大量採用。根據兩個主要應用：電信基礎設施和國防，推動整個氮化鎵射頻市場預計到2024年成長至20億美元，產業研究機構Yole Développement(Yole)的研究報告指出，過去十年，全球電信基礎設施投資保持穩定，在該市場中，更高頻率的趨勢為5G網路中頻率低於6GHz的PA中的RF GaN提供了一個最佳發展的動力。 自從20年前第一批商用產品出現以來，GaN已成為射頻功率應用中LDMOS和GaAs的重要競爭對手，並以更低的成本不斷提高性能和可靠性。第一個GaN-on-SiC和GaN-on-Si元件幾乎同時出現，但GaN-on-SiC在技術上已經變得更加成熟。GaN-on-SiC目前主導GaN射頻市場，已滲透到4G LTE無線基礎設施市場，預計將部署在5G 6GHz以下的RRH架構中。然而，與此同時，在經濟高效的LDMOS技術方面也取得了顯著進展，這可能會挑戰5G sub-6Ghz主動式天線和大規模MIMO部署中的GaN解決方案。 GaN射頻元件市場整體規模再2018年約6.45億美元，無線通訊應用約3.04億美元、軍事約2.7億美元，航太應用3700萬美元為三大主要應用，2024年整體市場將成長至200.13億美元，年複合成長率達21%，無線通訊應用規模達7.52億美元，軍事應用為9.77億美元，值得注意的是RF Energy將從200萬美元成長至1.04億美元。