更高的功率密度與轉換效率，是電力電子產業永遠追求的目標。然而，在元件技術未有重大突破的情況下，電力電子設備制造商即便在電路設計上不斷創新，提出各種先進拓撲架構，對電源系統帶來的效率或功率密度提升效果還是遇到瓶頸。

 

　　有鑒于此，許多電源相關芯片業者，已經將未來的產品發展重心放在碳化硅、氮化鎵等新一代材料的應用導入上，希望藉由材料與芯片技術的根本性突破，讓電力電子應用的功率密度、轉換效率更上一層樓。

 

　　鎖定高功率應用碳化硅開拓電力電子新疆域

英飛凌工業電源控制事業處市場開發總監 馬國偉
 

　　英飛凌(Infineon)工業電源控制事業處市場開發總監馬國偉指出，碳化硅具有極佳的材料特性，可以顯著降低開關損耗，因此電源開關的操作頻率可以大為提高，從而使電源系統的尺寸明顯縮小。

 

　　英飛凌工業電源控制事業處市場開發總監馬國偉表示，在解決可靠度疑慮之后，碳化硅已經在大功率電源應用市場上打下灘頭堡。

 

　　至于在轉換效率方面，相較于硅電晶體在單極(Unipolar)操作下無法支持高電壓，碳化硅即便是在高電壓條件下，一樣可以支持單極操作，因此其功率損失、轉換效率等指標性能的表現，也顯著優于硅元件。

 

　　不過，碳化硅材料雖然在電力電子應用上有很多優勢，但其可靠性還是一大問題，因為4H-SiC在SiC-SiO2介面的缺陷密度很高，若采用平面DMOS結構，MOSFET通道中的電子散射效應會導致通道的電子遷移率下降，從而降低其性能表現。要解決這個問題，當電流在順向傳輸狀態時，必須對元件施加更高的電壓，但如此一來氧化層會承受更大的壓力。

 

　　也因為這個緣故，SiC雖然早在十多年前就開始研究，直到近年來發展出溝槽式(Trench) MOS結構，才使得SiC元件的可靠度問題獲得解決，進而促成各種商業應用出現。其中，又以各種大功率應用最適合導入SiC元件，因為其所帶來的效益跟價值最為明顯。

 

　　目前大功率電力設備多半仍以機械結構為主，因此造價高昂，且產品相當笨重，更需要經常維修。為了改良這些缺點，以電力電子為基礎的新一代大功率電力設備，遂應運而生。而碳化硅等新世代元件，則是在背后促成這股電力設備電子化不可或缺的功臣。

 

　　以往電力電子元件通常無法在動輒數百伏特、甚至上千伏特的高壓條件下操作。即便可以，效率也未必好，因此大功率電力設備只能采用以機械為主的設計。但在碳化硅元件進入商業量產后，目前1,200伏特的高壓電應用也可用電力電子的架構來設計，未來英飛凌更有意推出支持1,700伏特的解決方案，以便滿足更大功率的電力電子應用需求。事實上，大功率電源設備的電子化，是目前電源相關產業最熱門的話題。許多采用傳統機械結構的電力設備，例如變壓器，都在考慮改用電力電子方案。

 

　　此外，重型家電、電機驅動等應用領域的產品制造商，對碳化硅方案也很有興趣，未來商機可望逐漸發酵。但這些應用跟電力電子的需求不同，未必能在很高的開關頻率下運作，因此英飛凌未來會針對家電、電機驅動等應用領域，開發出對應的解決方案。

 

　　功率密度優勢顯著電動車應用搶頭香

 

　　雖然碳化硅元件可望成為推動電力設備由機械轉向電子結構的重要推手，但現階段碳化硅元件最主要的應用市場，其實是電動車。

 

　　馬國偉指出，電動車應用之所以對碳化硅元件的需求如此殷切，主要原因在于可實現更輕巧的電源系統設計，不管是車身上的動力總成(Powertrain)系統，還是固定安裝在路邊或車庫里的充電樁，導入碳化硅元件的進度都非常快。

 

　　對車載應用而言，設備的大小跟重量非常關鍵。若車上的逆變器(Inverter)、充電系統能做得越小巧，則電動車的電池續航力越高。這是電動車廠商之所以對碳化硅解決方案趨之若鶩的主要原因。

 

　　至于在充電樁部分，帶動碳化硅元件需求最主要的動力來自快速充電。為了縮短電動車的充電時間，提高電動車的實用性，快速充電已成充電樁的標準功能。這個趨勢使得充電樁的平均輸出功率快速拉升，目前支持20kW、甚至25kW輸出的電動車充電樁，已經開始出現在市場上。

 

　　然而，電動車充電樁的尺寸要求即便不像車載設備那么嚴格，考量到安裝跟硬體制造成本等問題，其外觀尺寸還是會受到一定的限制。這使得電動車充電樁的功率密度需求增加，并促使相關業者舍棄傳統硅元件，轉向碳化硅元件。

 

　　除了英飛凌之外，日系半導體業者羅姆(Rohm)，對碳化硅在電動車領域的布局也十分積極，更是電動方程式(Formula E)大賽車的主要技術合作伙伴之一。日前在臺北國際電腦展(Computex)期間，羅姆便公開向外展示其為Formula E所研發的賽車用逆變器(圖2)。

　　圖2 羅姆利用碳化硅元件成功縮小了Formula E電動賽車的逆變器尺寸。

 

　　藉由導入碳化硅元件，最新一代逆變器體積大為縮減超過三成，重量也更輕，讓采用該逆變器的Venturi車隊可以實現最佳化的車輛重心設計，而且采用碳化硅元件的逆變器可以在更高的溫度下運作而不損失其效率，這對于十分講究能源管理的電動方程式賽車而言十分關鍵。羅姆表示，新一代逆變器的尺寸之所以能大幅縮減，關鍵在于碳化硅元件的效率更高、開關速度更快，而且對高溫的耐受度更好。這三個特性讓逆變器設備所使用的磁性元件跟散熱片大幅減少，從而降低了設備的尺寸跟重量，也讓逆變器的總成本得以維持在市場可以接受的范圍。

 

　　手機快速充電帶動氮化鎵元件普及

 

　　相較于碳化硅在大功率電力電子設備上攻城掠地，氮化鎵元件則是在小型化電源應用產品領域逐漸擴散，與碳化硅元件聯手改變電力電子產業原本由硅元件主導的格局。

德州儀器類比IC應用經理 蕭進皇
 

　　德州儀器(TI)類比IC應用經理蕭進皇表示，氮化鎵材料具有低Qg、Qoss與零Qrr的特性，能為高頻電源設計帶來效率提升、體積縮小與提升功率密度的優勢，因此在伺服器、通訊電源及可攜式裝置充電器等領域受到市場相當不錯的回響，應用需求也越來越多。

 

　　德州儀器類比IC應用經理蕭進皇認為，氮化鎵技術對于電源應用的小型化與功率密度提升，能帶來十分明顯的幫助。

 

　　整體來說，目前氮化鎵與碳化硅的應用分界點為600伏特。600伏特以上的電力電子應用是碳化硅元件的天下，200?600伏特則是氮化鎵具有優勢。由這個應用分野不難看出，就出貨數而言，氮化鎵將具備先天優勢，因為許多消費性電子產品都有機會使用到氮化鎵元件。

 

　　近年來在消費性電源領域引發話題的手機快速充電、USB-PD等技術，就是氮化鎵元件可以大展身手的舞臺。和電動車的情況類似，快速充電也是智慧型手機或可攜式裝置使用者非常歡迎的功能，而為了縮短電池充電時間，充電器必須用更高的電壓或更大電流對電池充電。但行動裝置的充電器本身也屬可攜式產品，其外觀尺寸不能為了支持快速充電而增加太多，于這使得充電器制造商必須改用氮化鎵元件來實現產品設計。

 

　　也因為消費性市場存在可觀的潛在需求，相較于碳化硅元件基本上是整合元件制造商(IDM)的天下，氮化鎵制程已經吸引臺積電等晶圓代工業者投入。戴樂格(Dialog)便是與臺積電合作，利用臺積電標準化的650V硅上氮化鎵(GaN-On-Silicon)制程技術，推出可大規模量產的解決方案。

 

　　不過，氮化鎵陣營的業者也有問鼎大功率應用的企圖心。研究機構Yole Developpement便預測，到2020年時，氮化鎵元件將進軍600?900伏特市場，與碳化硅元件的競爭關系升溫。

 

　　單價偏高仍是普及障礙創造經濟規模成首務

 

　　然而，不管是氮化鎵或碳化硅，由于是新材料、新制程，因此相關元件的價格至今仍比硅元件高出一截，形成導入障礙。因此，不管是英飛凌、羅姆、德州儀器或戴樂格，在行銷推廣的策略上，都是以價值訴求作為操作重點。

 

　　馬國偉就坦言，碳化硅元件的價格大約是同級硅元件的3?4倍之間，故許多客戶在導入時會有一定疑慮。因此，在市場行銷推廣上，英飛凌會優先鎖定硅元件無法切入或缺點非常明顯的市場優先布局，藉由創造經濟規模的方法來改善碳化硅元件的成本結構。

 

　　事實上，以英飛凌為例，目前該公司的碳化硅元件生產已經從4吋晶圓升級到6吋晶圓，未來若市場需求繼續成長，繼續朝8吋，甚至12吋晶圓轉進，也是有可能的。而隨著晶圓尺寸放大，碳化硅元件的成本將會比現在更有競爭力。

 

　　羅姆則是從整體成本的角度切入。目前碳化硅元件的單價確實仍比傳統硅元件高出數倍之多，但由于逆變器這類應用設備最主要的成本來自散熱片跟磁性元件，其中磁性元件的成本占比更可高達40 %。因此，只要能節省磁性元件與散熱片的使用量，即便碳化硅元件單價很高，從總成本的角度來看，還是有競爭力。

 

　　相較之下，氮化鎵與傳統硅元件之間雖也有價差，但不像碳化硅與硅元件之間那么明顯，因此可以用應用市場區隔的方式來操作。蕭進皇認為，目前德州儀器是以高階、小型化電源系統應用作為氮化鎵產品線鎖定的主力市場，因此會與硅元件有一定程度的自然區隔存在。

 

　　但整體來說，不管是氮化鎵或碳化硅，最終都是要以硅元件作為參照點，其應用設計跟報價，都是越接近硅元件，越能說服客戶轉向新技術。要達到這個目標，雖然還需要一段時間醞釀，但卻不是遙不可及的夢想，在有量就有Cost Down的電子產業，只要能創造經濟規模，報價松動就會緊接而來。