Page 12 - 第三代半導體—— 碳化矽材料製程與分析

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SPOTLIGHT
高功率/高效成定局 寬能隙元件EV應用大放異彩
Anthea Chuang，EE Times Taiwan
節能減碳這個全球關注的大議題 催生電動車(EV)的出現，並使電 動車成為近幾年驅動車市成長的 主要動力。
挑戰，以及在電動車應用之外的 發展契機。
從目前的電動車架構來 看，SiC正在越來越多地被採用， 業者紛紛指出，特別是在車載充電 器(OBC)、高低壓DC-DC轉換器， 以及牽引逆變器中，SiC都能發揮 比矽基元件更好的作用。德州儀器 (TI)系統應用工程經理楊斐談到， 相較於傳統的矽金屬氧化物半導 體場效應電晶體(MOSFET)，SiC 和GaN等寬能隙元件可提高功率 密度和效率，還能提高切換頻率進 而改善系統效率，並讓電力電子轉 換器實現更高的功率密度。
尺寸、輕載情況下具有更低導通損 耗、比矽基IGBT更低的開關損耗， 以及對冷卻要求較低，所需被動元 件更少，可進而降低系統成本。強 茂(PANJIT)則指出，SiC由於其卓 越的開關速度、在更高溫度下可 靠運作...等顯著優勢，加上電動 車電池電壓不斷提高，透過SiC將 可打造高效、高可靠性和延長里程 的電動車電池系統。
雖然電動車看似環保，但其 使用的電力來源與內部系統的電 力效率，卻也成為受人詬病的問 題，因此電動車相關電力系統發 展業者、元件商，無不致力提高電 動車的能源轉換效率、提高系統 功率...等，甚至在電動車外的基礎 設施——充電樁、充電站...等也朝 高功率、高壓、快充的方向發展。
SiC普及率持續攀升 GaN仍如新參者
而這些趨勢凸顯了現有矽元 件的不足，進而帶動寬能隙(WBG) 半導體的發展，預計至2025年寬 能隙功率元件應用於混合動力車 (HEV)/電動車市場規模可達14億 美元。
而在電動車之外的基礎設 施中，現在也能看到SiC的身 影。Nexperia表示，藉由出色的 導熱能力與易實現高電壓的特 性，SiC大量地被使用在高電壓及 高功率電力電子的相關應用，例如 動力馬達與充電樁。
目前在電動車應用中，寬能 隙半導體中的碳化矽(SiC)、氮化 鎵(GaN)已受到產業相當的矚目。 它們可讓電動車實現更好的持續 性與可靠性、更快的充電能力，以 及提高行駛里程...等;而為進一 步解除市場的疑慮，電動車電池 系統/電源相關子系統也開始朝高 壓邁進，可望為寬能隙元件帶來 更多機會。
因此，電動車與混合動力車 (HEV)中的牽引逆變器、OBC和高 壓到低壓DC-DC轉換器已經開始 由SiC和GaN逐漸取代矽絕緣閘雙 極性電晶體(Si IGBT)或MOSFET。 如高效率牽引逆變器系統已經採 SiC MOSFET，藉以增加電動車的 行駛里程。
根據市調單位Strategy Analytics的統計，預計到2025年 車載功率半導體將達46億歐元的 市場規模，年複合成長率(CAGR) 高達30%。其中，SiC的滲透率也 將從2020年的17%，快速成長到 2025年的30%。由此可見，SiC在 全球新能源車，尤其是電動車應 用擁有相當燦爛的前景。
本文將探討現階段寬能隙元 件在電動車上的應用情況、技術
英飛凌(Infineon)汽車電子 事業部大中華區資深市場經理高 金萍舉例說明，在牽引逆變器方 面，採用SiC可提升電池利用率超 過5%、更高功率密度可縮減系統
Yole Développement也針 對SiC的市場做出預測，至2025 年，SiC的年營收成長率將達50%， 創造超過30億美元的市場規模;其 中，車用領域將是促成SiC元件蓬
www.eettaiwan.com | 2022年7月