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碳化硅/氮化镓组件进入商品化 电力电子产业迎来大革命

随着碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等新材料陆续应用在二极管、场效晶体管(MOSFET)等组件上,电力电子产业的技术大革命已揭开序幕。 这些新组件虽然在成本上仍比传统硅组件高出一大截,但其开关速度、切换损失等性能指针,也是硅组件难以望其项背的。 这些新一代组件的商品化,为电力电子产业打开了全新的应用可能性。

更高的功率密度与转换效率,是电力电子产业永远追求的目标。 然而,在组件技术未有重大突破的情况下,电力电子设备制造商即便在电路设计上不断创新,提出各种先进拓扑架构,对电源系统带来的效率或功率密度提升效果还是遇到瓶颈。

有鉴于此,许多电源相关芯片业者,已经将未来的产品发展重心放在碳化硅、氮化镓等新一代材料的应用导入上,希望藉由材料与芯片技术的根本性突破,让电力电子应用的功率密度、转换效率更上一层楼。

一、锁定高功率应用 碳化硅开拓电力电子新疆域

英飞凌(Infineon)工业电源控制事业处市场开发总监马国伟指出,碳化硅具有极佳的材料特性,可以显著降低开关损耗,因此电源开关的操作频率可以大为提高,从而使电源系统的尺寸明显缩小。

在解决可靠度疑虑之后,碳化硅已经在大功率电源应用市场上打下滩头堡。

至于在转换效率方面,相较于硅晶体管在单极(Unipolar)操作下无法支持高电压,碳化硅即便是在高电压条件下,一样可以支持单极操作,因此其功率损失、转换效率等指针性能的表现,也显著优于硅组件。

不过,碳化硅材料虽然在电力电子应用上有很多优势,但其可靠性还是一大问题,因为4H-SiC在SiC-SiO2接口的缺陷密度很高,若采用平面DMOS结构,MOSFET信道中的电子散射效应会导致信道的电子迁移率下降,从而降低其性能表现。 要解决这个问题,当电流在顺向传输状态时,必须对组件施加更高的电压,但如此一来氧化层会承受更大的压力。

也因为这个缘故,SiC虽然早在十多年前就开始研究,直到近年来发展出沟槽式(Trench) MOS结构,才使得SiC组件的可靠度问题获得解决,进而促成各种商业应用出现。 其中,又以各种大功率应用最适合导入SiC组件,因为其所带来的效益跟价值最为明显。

目前大功率电力设备多半仍以机械结构为主,因此造价高昂,且产品相当笨重,更需要经常维修。 为了改良这些缺点,以电力电子为基础的新一代大功率电力设备,遂应运而生。 而碳化硅等新世代组件,则是在背后促成这股电力设备电子化不可或缺的功臣。

以往电力电子组件通常无法在动辄数百伏特、甚至上千伏特的高压条件下操作。 即便可以,效率也未必好,因此大功率电力设备只能采用以机械为主的设计。 但在碳化硅组件进入商业量产后,目前1,200伏特的高压电应用也可用电力电子的架构来设计,未来英飞凌更有意推出支持1,700伏特的解决方案,以便满足更大功率的电力电子应用需求。 事实上,大功率电源设备的电子化,是目前电源相关产业最热门的话题。 许多采用传统机械结构的电力设备,例如变压器,都在考虑改用电力电子方案。

此外,重型家电、电机驱动等应用领域的产品制造商,对碳化硅方案也很有兴趣,未来商机可望逐渐发酵。 但这些应用跟电力电子的需求不同,未必能在很高的开关频率下运作,因此英飞凌未来会针对家电、电机驱动等应用领域,开发出对应的解决方案。

二、功率密度优势显著 电动车应用抢头香

虽然碳化硅组件可望成为推动电力设备由机械转向电子结构的重要推手,但现阶段碳化硅组件最主要的应用市场,其实是电动车。

马国伟指出,电动车应用之所以对碳化硅组件的需求如此殷切,主要原因在于可实现更轻巧的电源系统设计,不管是车身上的动力总成(Powertrain)系统,还是固定安装在路边或车库里的充电桩,导入碳化硅组件的进度都非常快。

对车载应用而言,设备的大小跟重量非常关键。 若车上的逆变器(Inverter)、充电系统能做得越小巧,则电动车的电池续航力越高。 这是电动车厂商之所以对碳化硅解决方案趋之若鹜的主要原因。

至于在充电桩部分,带动碳化硅组件需求最主要的动力来自快速充电。 为了缩短电动车的充电时间,提高电动车的实用性,快速充电已成充电桩的标准功能。 这个趋势使得充电桩的平均输出功率快速拉升,目前支持20kW、甚至25kW输出的电动车充电桩,已经开始出现在市场上。

然而,电动车充电桩的尺寸要求即便不像车载设备那么严格,考虑到安装跟硬件制造成本等问题,其外观尺寸还是会受到一定的限制。 这使得电动车充电桩的功率密度需求增加,并促使相关业者舍弃传统硅组件,转向碳化硅组件。

除了英飞凌之外,日系半导体业者罗(Rohm),对碳化硅在电动车领域的布局也十分积极,更是电动方程序(Formula E)大赛车的主要技术合作伙伴之一。 日前在台北国际计算机展(Computex)期间,罗姆便公开向外展示其为Formula E所研发的赛车用逆变器(图1)。

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图 1罗姆利用碳化硅组件成功缩小了Formula E电动赛车的逆变器尺寸
藉由导入碳化硅组件,最新一代逆变器体积大为缩减超过三成,重量也更轻,让采用该逆变器的Venturi车队可以实现优化的车辆重心设计,而且采用碳化硅组件的逆变器可以在更高的温度下运作而不损失其效率,这对于十分讲究能源管理的电动方程序赛车而言十分关键。 罗姆表示,新一代逆变器的尺寸之所以能大幅缩减,关键在于碳化硅组件的效率更高、开关速度更快,而且对高温的耐受度更好。 这三个特性让逆变器设备所使用的磁性组件跟散热片大幅减少,从而降低了设备的尺寸跟重量,也让逆变器的总成本得以维持在市场可以接受的范围。

三、手机快速充电带动氮化镓组件普及

相较于碳化硅在大功率电力电子设备上攻城略地,氮化镓组件则是在小型化电源应用产品领域逐渐扩散,与碳化硅组件连手改变电力电子产业原本由硅组件主导的格局。

德州仪器(TI)模拟IC应用经理萧进皇表示,氮化镓材料具有低Qg、Qoss与零Qrr的特性,能为高频电源设计带来效率提升、体积缩小与提升功率密度的优势,因此在服务器、通讯电源及便携设备充电器等领域受到市场相当不错的回响,应用需求也越来越多。

德州仪器模拟IC应用经理萧进皇认为,氮化镓技术对于电源应用的小型化与功率密度提升,能带来十分明显的帮助。

整体来说,目前氮化镓与碳化硅的应用分界点为600伏特。 600伏特以上的电力电子应用是碳化硅组件的天下,200∼600伏特则是氮化镓具有优势。 由这个应用分野不难看出,就出货数而言,氮化镓将具备先天优势,因为许多消费性电子产品都有机会使用到氮化镓组件。

近年来在消费性电源领域引发话题的手机快速充电、USB-PD等技术,就是氮化镓组件可以大展身手的舞台。 和电动车的情况类似,快速充电也是智能型手机或便携设备用户非常欢迎的功能,而为了缩短电池充电时间,充电器必须用更高的电压或更大电流对电池充电。 但行动装置的充电器本身也属可携式产品,其外观尺寸不能为了支持快速充电而增加太多,于这使得充电器制造商必须改用氮化镓组件来实现产品设计。

也因为消费性市场存在可观的潜在需求,相较于碳化硅组件基本上是整合组件制造商(IDM)的天下,氮化镓制程已经吸引台积电等晶圆代工业者投入。 戴乐格(Dialog)便是与台积电合作,利用台积电标准化的650V硅上氮化镓(GaN-On-Silicon)制程技术,推出可大规模量产的解决方案。

不过,氮化镓阵营的业者也有问鼎大功率应用的企图心。 研究机构Yole Developpement便预测,到2020年时,氮化镓组件将进军600∼900伏特市场,与碳化硅组件的竞争关系升温。

四、单价偏高仍是普及障碍 创造经济规模成首务

然而,不管是氮化镓或碳化硅,由于是新材料、新制程,因此相关组件的价格至今仍比硅组件高出一截,形成导入障碍。 因此,不管是英飞凌、罗姆、德州仪器或戴乐格,在营销推广的策略上,都是以价值诉求作为操作重点。

马国伟就坦言,碳化硅组件的价格大约是同级硅组件的3∼4倍之间,故许多客户在导入时会有一定疑虑。 因此,在市场营销推广上,英飞凌会优先锁定硅组件无法切入或缺点非常明显的市场优先布局,藉由创造经济规模的方法来改善碳化硅组件的成本结构。

事实上,以英飞凌为例,目前该公司的碳化硅组件生产已经从4吋晶圆升级到6吋晶圆,未来若市场需求继续成长,继续朝8吋,甚至12吋晶圆转进,也是有可能的。 而随着晶圆尺寸放大,碳化硅组件的成本将会比现在更有竞争力。

罗姆则是从整体成本的角度切入。 目前碳化硅组件的单价确实仍比传统硅组件高出数倍之多,但由于逆变器这类应用设备最主要的成本来自散热片跟磁性组件,其中磁性组件的成本占比更可高达40%。 因此,只要能节省磁性组件与散热片的使用量,即便碳化硅组件单价很高,从总成本的角度来看,还是有竞争力。

相较之下,氮化镓与传统硅组件之间虽也有价差,但不像碳化硅与硅组件之间那么明显,因此可以用应用市场区隔的方式来操作。 萧进皇认为,目前德州仪器是以高阶、小型化电源系统应用作为氮化镓产品线锁定的主力市场,因此会与硅组件有一定程度的自然区隔存在。

但整体来说,不管是氮化镓或碳化硅,最终都是要以硅组件作为参照点,其应用设计跟报价,都是越接近硅组件,越能说服客户转向新技术。 要达到这个目标,虽然还需要一段时间酝酿,但却不是遥不可及的梦想,在有量就有Cost Down的电子产业,只要能创造经济规模,报价松动就会紧接而来。