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兼具高效能與可靠性 英飛凌打造新一代SiC元件
向能源耗損Say Goodbye!

【作者: 王岫晨】   2018年10月04日 星期四

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全球能源需求正持續成長,而推動的因素包括了工業應用、交通運輸、民用設施的電氣化,以及用電設備數量的增加,都直接提升了對於高效率功率半導體的需求。功率半導體不論是對於發電、輸電,以及用電等所有應用環境,都能夠更有效率地管理設備、機器與系統。功率半導體元件可協助風力發電與光電系統有效率地發電及轉換電力,也讓家電、筆電、資料中心及其他應用的用電效率大幅提升。如此可節省能源,也確保能源供應的永續性。



圖1 : SiC與GaN以更快的切換速度與更低的耗損,達到比矽元件更高的能源效率。
圖1 : SiC與GaN以更快的切換速度與更低的耗損,達到比矽元件更高的能源效率。

而提起功率半導體,就不能不提到碳化矽(SiC),說它是明日之星也絕對當之無愧。碳化矽並非是全新的材料技術,在過去碳化矽這樣的材料就已經存在,而近年來,隨著能源議題逐漸被重視,碳化矽這樣的材料有助於打造出效率更好的半導體功率元件,來改善電源使用效率,並進一步協助解決能源問題。


碳化矽的崛起

一般來說,半導體本身就是個一種技術指標,通常半導體的技術本身要能達到某種成熟度或者穩定度,才能真正應用在各種不同場合上。放眼工業市場或者車用元件,一旦穩定度不佳,經常會造成安全方面的疑慮。而特別是功率元件,這種與電源應用息息相關的產品,在使用上將會特別重視其穩定性與可靠度,一定會要求其達到某個程度的指標之後,才能夠滿足於實際應用的要求。



圖2 :  SiC的平面式與溝槽式架構差異
圖2 : SiC的平面式與溝槽式架構差異

碳化矽製程是近年來在功率元件領域新崛起的熱門技術,其優點在於具備極佳的耐高壓與耐高溫的特性,因此對於需要高電壓的工業應用、以及電動車等,都十分適合。只不過,碳化矽的生產成本非常高昂,且現階段良率並不高,在耐用性方面也經常遇到挑戰,目前僅少數半導體供應商有能力生產碳化矽相關的產品並實際上市。


英飛凌碳化矽技術優勢

英飛凌自從1992年起,便已經開始投入碳化矽的材料研究。英飛凌大中華區工業電源控制事業處經理郭代原指出,功率元件的技術一般分為平面式(Planar)與溝槽式(Trench)這兩種架構。早期許多開發碳化矽產品的廠商,採用的都是平面式的架構,只不過這種平面式的功率元件架構,其可靠度一直受到市場的質疑。平面式的架構在其閘極氧化層容易產生電子的擾流散射,這樣的缺點往往是造成可靠度不佳的主因,而這也是英飛凌一直對於平面式技術的詬病之處。因此,英飛凌專注於發展溝槽式技術,並將平面式的缺點加以改善。英飛凌採用的溝槽式架構,其特色就是在於能夠兼顧到可靠度,同時也能夠提升能源效率。


降低功率耗損

碳化矽功率元件之所以能夠提高能源效率,關鍵就在於能夠有效降低損耗,特別是對於能量消耗最顯著的切換損失(Switching Loss)與導通損失(Condition loss),都能夠透過碳化矽元件來有效降低。當切換損失一旦降低,電器頻率就能夠向上提升,例如在冷氣中的變頻器,一旦工作頻率提高,就可以更有效降低諧波,因此對於需要節能的高頻家電應用來說,碳化矽無疑就是個非常合適的功率元件。儘管現階段成本還偏高,然而未來隨著成本下降,在高頻應用上將會使用更為廣泛。



圖3 : 英飛凌大中華區工業電源控制事業處經理郭代原
圖3 : 英飛凌大中華區工業電源控制事業處經理郭代原

儘管碳化矽功率元件可以有效提高能源效率,然而目前其成本偏高卻是最為人所詬病的問題。郭代原說,既然現階段成本偏高,就不能將其應用在對於價格敏感的產品用途上。目前碳化矽功率元件最適合的應用場合,就是對於效能要求要高,且體積要小的產品上。這兩類的需求通常無法用低成本的元件來滿足,因此需要用到這種更好的材料,來提供更高的效能。


應用案例

太陽能電池就是一個很合適的應用案例。一般來說,太陽能電池本身就需要很高的能源轉換效率,將功能轉換成電能並且儲存起來。在這個過程中,太陽能逆變器就扮演很關鍵的角色。事實上,太陽能逆變器佔整體系統的成本並不算高,這時候為了要提升整體的發電效率,採用碳化矽這樣的材料來做出更好的變頻器,就能在不大幅影響整體成本的情況下,提高能源轉換效率。


另外,又如設立於城市中的電動車充電站,其所需要的電力非常大,特別是隨著電動車的普及,未來在都市當中一定會大量佈建這樣的充電站。正由於未來將會大量部屬,因此一旦能源效率差的話,整體就會產生非常高的能源耗損,因此電動車充電站也是對於能源效率非常在意的一種應用。


此外,充電站佈建街道上,特別是在地小人稠的都市中,設備體積不能過於龐大。加上戶外環境惡劣等因素,使得整個充電站設備必須盡可能的縮小體積。這時候,透過碳化矽這樣的功率元件,除了可以有效提高整體能源效率之外,還能進一步縮小設備的整體尺寸與佔地面積。


未來發展

碳化矽已經是成熟商品,但技術上還會持續進化。郭代原說,碳化矽元件的生產方面,早期由於良率偏低,導致成本較高。隨著不斷地技術精進讓產能與良率提升,才能讓價格往下壓低,也才能讓碳化矽功率元件獲得進一步的普及。另一個指標則是可靠度,未來在可靠度方面當然還是必須繼續提升,因為半導體技術是持續精進的,不會因為產品已經上市而停止,而是每隔一段時間就會在技術層面上尋求突破,來提升性能。


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yutingli43@gmail.com發言於2018.10.17 02:39:26 AM
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