Page 13 - 第三代半導體—— 碳化矽材料製程與分析

勃發展的最大動力。 SiC在車用市場，尤其是電
技術難題有解方
·高壓:元件封裝材料選擇、 爬電間距設計，以及測試驗證等方 面提出更高的要求;
寬能隙半導體憑藉其眾多優 勢，在電動車中開始取代矽基功 率元件，但也由於其特性，也為電 動車可使用寬能隙元件的系統，增 加了設計的難度。高金萍表示，相 較於傳統的矽材料，以SiC和GaN 為代表的寬能隙半導體材料，具 備更大的能隙寬度、更高的臨界 場強，使基於這兩種材料製作的 功率半導體具有耐高壓、低導通 電阻、寄生參數小、開關速度快等 優異特性，尤其適合對高溫、高功 率、高壓、高頻及抗輻射等惡劣條 件要求較高的應用。
·高效:低損耗帶來的更高的 電流、功率密度，對晶片及封裝的 散熱帶來新的挑戰;
再從測試驗證的角度思考， 陳川迅表示，電源系統設計人員 在轉向SiC時需要考慮的一些問 題包括:測試設備是否能夠準確 測量SiC系統中的快速開關動態? 如何準確最佳化閘極驅動性能和 盲區時間?共模暫態會影響測量 的準確性嗎?看到的振鈴是真實 的，還是探棒負載響應的結果?要 解決這些問題對工程師來說是一 項艱鉅的任務。
SPOTLIGHT
Yole Développement認為，在蓬勃發展的SiC功率元件市場中，車用領域無疑是最重要的驅動力。
(來源:Yole Développement)
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動車相關應用，擁有亮眼的發展 態勢，那麼GaN呢?事實上，目前 GaN主要的應用市場，是以消費性 電子為大宗，在電動車上的應用才 剛萌芽。Nexperia指出，GaN易操 作在高頻率的特性，使其也逐漸在 OBC、48V~12V的DC-DC轉換器等 應用中被導入，以協助這些系統在 縮小體積的設計下，也可以得到高 效率的轉換結果。
太克科技(Tektronix)台灣 與東協區域市場經理陳川迅則認 為，雖然目前SiC和GaN多用於電 動車的功率轉換系統，不過，GaN 在射頻、5G和雷達應用中也得到 了廣泛採用，且具備連網功能的 電動車即可透過這些內建GaN的 射頻應用系統來提高安全性和更 智慧的通訊。
不過，這些優異的特性，以及 惡劣的應用條件，對元件和系統的 設計也會帶來相應的挑戰:
為，由於車體內部是較高溫及高 溼度的環境，這對矽或寬能隙半導 體來說，電氣特性容易產生不可預 期的變化，進而導致功能失效。更 重要的是，若此半導體又是與安全 相關的零件，當其失效時，將對駕 駛、乘客造成安全上的疑慮。而寬 能隙元件常常使用在跟安全相關 的系統上，如電池充放電、動力馬 達運轉、變速器...等，因此元件的 可靠性驗證將格外重要。
·高溫:晶片及封裝都需要擁 有在高溫下持續運作的能力;
·高可靠性:電動車應用會對 新技術的導入提出更高的品質要 求，例如閘氧可靠性等。
楊斐指出，對車載OBC系統 來說，由於切換頻率提高，寬能隙 元件可以達到更高的密度，這種 情況會對磁性設計構成一些挑戰; 同時，隨著尺寸縮小，熱流密度提 高，熱設計也變得更具有挑戰性。
從寬能隙元件應用在電動車 體內部的環境來看，Nexperia認
2022年7月 | www.eettaiwan.com