碳化硅写入十四五规划，大功率快充电源市场成为第三代半导体突破口
2020年，当大多数快充电源厂商还在65W氮化镓快充市场探索时，倍思开创性地推出了业界首款120W氮化镓+碳化硅快充充电器。也正是这款产品，第一次将“碳化硅快充”从设想变为现实，开启了碳化硅在快充领域商用的大门。随后，MOMAX、REMAX等厂商陆续跟进，基于碳化硅推出多款百瓦级大功率快充电源，也让越来越多的业内人士和消费者对碳化硅有了更进一步的了解。
一、官宣：碳化硅写入十四五规划
2021年3月13日，新华网刊登了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，其中“集成电路”领域，特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体要取得发展。
碳化硅和氮化镓都属于第三代半导体宽禁带半导体材料，能够在“十四五规划”中提名，足以说明其重要程度已经上升到了国家的层面。相信在国家的助推下，国内将迅速形成适合第三代半导体发展的环境，前景十分值得期待。
二、碳化硅用于快充的优势
碳化硅（SiC）是碳和硅的化合物，碳化硅单晶材料目前采用物理气相输运（PVT）法，在超过2000℃的高温下，将碳粉和硅粉通过高温分解成原子，通过温度控制沉积在碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。作为第三代半导体材料，碳化硅（SiC）与硅（Si）相比，介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高。因此，当用于半导体器件中时，碳化硅器件拥有高耐压、高速开关、低导通电阻、高效率等特性，有助于降低能耗和缩小系统尺寸。
碳化硅可广泛用于电动汽车、逆变器、轨道交通、太阳能、风力发电、消费类电源等领域。近年来，随着USB PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟，大功率快充电源市场逐渐兴起，碳化硅二极管也开始在消费类电源市场中崭露头角，进入了多款百瓦级大功率快充供应链，助力快充电源实现更高的效率和更小的体积。
在大功率快充电源产品中，碳化硅二极管主要用于PFC级的升压整流；搭配氮化镓功率器件，可以将PFC级的工作频率从传统快充的不足100KHz提升到300KHz，由此减小升压电感体积，实现高功率密度的设计，同时也让电源的效率得到了大幅提升。
开关电源中，由于整流后采用大容量的滤波电容，呈现容性负载，而在电容充放电时会使电网中产生大量高次谐波，产生污染和干扰，人们开始在开关电源中引入PFC电路，功率在75W以上的开关电源强制要求加入PFC电路以提高功率因数，修正负载特性。
PFC分为被动式和主动式两种。被动式采用大电感串联补偿，主要缺点是体积大，且效率低。随着近年来半导体器件迅猛发展，被动式PFC被主动式PFC全面取代。主动式PFC采用PFC控制器、开关管、电感和二极管组成升压电路，具有体积小，输入电压范围宽，功率因数补偿效果好的优点。因此，碳化硅在消费类电源领域的关注度越来越高，并逐渐成为了大功率快充产品的核心竞争力。
三、快充市场碳化硅供应商
据了解，目前市面上可用于大功率USB PD快充电源领域的碳化硅有五家供应商，分别是Alpha Power Solutions创能动力、Global Power泰科天润、Maplesemi美浦森、SGKS森国科以及PY平伟。
以泰科天润为例：泰科天润半导体科技（北京）有限公司是中国碳化硅（SiC）功率器件产业化的倡导者之一，在北京拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂，并在湖南浏阳建成6英寸碳化硅功率芯片生产线，可在4/6英寸SiC晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。产品线涉及基础核心技术产品、碳化硅成型产品以及多套行业解决方案。
目前泰科天润的碳化硅器件650V/2A-100A、1200V/2A-50A、1700V/5A -50A、3300V/0.6A-50A等系列的产品已经投入批量生产，并推出了两款快充PFC电路专用的碳化硅二极管，产品质量完全可以比肩国际同行业的先进水平。
四、碳化硅快充案例
凭借其独特的属性，碳化硅已经开始在大功率、高密度快充电源中崭露头角，获得众多快充电源企业青睐。目前已有倍思120W快充、MOMAX 100W 快充，以及REMAX 100W快充率先导入了碳化硅技术，从而也让产品实现了更高的功率密度。
1、MOMAX摩米士100W 2A2C氮化镓快充充电器
摩米士100W 2A2C氮化镓充电器机身方正扁平，配备可折叠插脚，且从插脚设计来看，还支持组装其它规格插脚，便携且适用于各个地区。充电器支持QC、AFC、FCP、SCP、MTK PE+2.0、PD和PPS快充协议，并将两类接口设计成支持盲插使用，用户无需刻意寻找快充接口，使用方便。接口支持100W、65W+30W、华为22.5W快充，支持广泛，实用性强。
这款充电器采用美浦森MSD06065V1碳化硅二极管配合英诺赛科INN650D2氮化镓开关管以及恩智浦PFC控制器进行主动功率因数校正。美浦森MSD06065V1是一颗650V耐压的碳化硅肖特基二极管，TO252封装。
2、REMAX睿量100W 2A2C氮化镓快充充电器
REMAX 100W 2A2C氮化镓充电器采用白色机身壳，表面哑光处理，整体看去非常简洁。充电器配有2A2C共4个接口，支持多种常见快充协议，USB-C口和USB-A口分别具备单口最大100W和30W输出，并支持多口同时快充，可以满足笔记本电脑、手机、平板、移动电源等多种设别的充电需求。
这款充电器内置PFC升压电路，采用LLC+GaN高性能架构。PFC升压部分采用恩智浦控制器，并选择美浦森MSD04065G1碳化硅二极管以及英诺赛科INN650D2氮化镓开关管进行整流。美浦森MSD04065G1是一颗650V耐压的碳化硅肖特基二极管，TO252封装。
四、总结
在传统的PD快充电源中，尤其是百瓦级大功率PD快充，效率一直都是电源工程师亟待解决的问题；而为了实现产品可靠性，多数充电器不得不牺牲体积，加入大面积散热片。这也让产品变得十分笨重，用户体验并不完美；直至第三代半导体在消费类电源领域正式商用，这一情况才得以缓解。
在百瓦大功率快充产品中，碳化硅和氮化镓可谓是最佳拍档，二者搭配用于电源前级PFC升压和整流，相对于传统硅器件，不仅效率提升能得到立杆剪影的效果，而且可以利用其高频特性缩小升压电感体积，从而提高产品整体的功率密度。
随着大功率设备数量的不断增加，市场对小体积、大功率多口快充的需求也愈发强烈。一方面促进电源架构从常规的QR向高性能的PFC+LLC转型，另一方面也加深了快充电源对第三代半导体的依赖，碳化硅在消费类电源领域的应用前景更为广阔。
作为第三代半导体的重要分支，碳化硅在此之前已经在多家厂商中投产，而本次国家将第三代半导体列入十四五规划，这对于碳化硅的发展来说更是一次难得的时代机遇。
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