碳化硅/氮化鎵組件進(jìn)入商品化 電力電子產(chǎn)業(yè)迎來大革命

LinkedIn隨著碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等新材料陸續(xù)應(yīng)用在二極管、場效晶體管(MOSFET)等組件上，電力電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)大革命已揭開序幕。 這些新組件雖然在成本上仍比傳統(tǒng)硅組件高出一大截，但其開關(guān)速度、切換損失等性能指針，也是硅組件難以望其項背的。 這些新一代組件的商品化，為電力電子產(chǎn)業(yè)打開了全新的應(yīng)用可能性。

更高的功率密度與轉(zhuǎn)換效率，是電力電子產(chǎn)業(yè)永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。 然而，在組件技術(shù)未有重大突破的情況下，電力電子設(shè)備制造商即便在電路設(shè)計上不斷創(chuàng)新，提出各種先進(jìn)拓?fù)浼軜?gòu)，對電源系統(tǒng)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(guān)芯片業(yè)者，已經(jīng)將未來的產(chǎn)品發(fā)展重心放在碳化硅、氮化鎵等新一代材料的應(yīng)用導(dǎo)入上，希望藉由材料與芯片技術(shù)的根本性突破，讓電力電子應(yīng)用的功率密度、轉(zhuǎn)換效率更上一層樓。

鎖定高功率應(yīng)用 碳化硅開拓電力電子新疆域

英飛凌(Infineon)工業(yè)電源控制事業(yè)處市場開發(fā)總監(jiān)馬國偉(圖1)指出，碳化硅具有極佳的材料特性，可以顯著降低開關(guān)損耗，因此電源開關(guān)的操作頻率可以大為提高，從而使電源系統(tǒng)的尺寸明顯縮小。

圖1 英飛凌工業(yè)電源控制事業(yè)處市場開發(fā)總監(jiān)馬國偉

他表示，在解決可靠度疑慮之后，碳化硅已經(jīng)在大功率電源應(yīng)用市場上打下灘頭堡。

至于在轉(zhuǎn)換效率方面，相較于硅晶體管在單極(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(zhuǎn)換效率等指針性能的表現(xiàn)，也顯著優(yōu)于硅組件。

不過，碳化硅材料雖然在電力電子應(yīng)用上有很多優(yōu)勢，但其可靠性還是一大問題，因為4H-SiC在SiC-SiO2接口的缺陷密度很高，若采用平面DMOS結(jié)構(gòu)，MOSFET信道中的電子散射效應(yīng)會導(dǎo)致信道的電子遷移率下降，從而降低其性能表現(xiàn)。 要解決這個問題，當(dāng)電流在順向傳輸狀態(tài)時，必須對組件施加更高的電壓，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(fā)展出溝槽式(Trench) MOS結(jié)構(gòu)，才使得SiC組件的可靠度問題獲得解決，進(jìn)而促成各種商業(yè)應(yīng)用出現(xiàn)。 其中，又以各種大功率應(yīng)用最適合導(dǎo)入SiC組件，因為其所帶來的效益跟價值最為明顯。

目前大功率電力設(shè)備多半仍以機械結(jié)構(gòu)為主，因此造價高昂，且產(chǎn)品相當(dāng)笨重，更需要經(jīng)常維修。 為了改良這些缺點，以電力電子為基礎(chǔ)的新一代大功率電力設(shè)備，遂應(yīng)運而生。 而碳化硅等新世代組件，則是在背后促成這股電力設(shè)備電子化不可或缺的功臣。

以往電力電子組件通常無法在動輒數(shù)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(shè)備只能采用以機械為主的設(shè)計。 但在碳化硅組件進(jìn)入商業(yè)量產(chǎn)后，目前1,200伏特的高壓電應(yīng)用也可用電力電子的架構(gòu)來設(shè)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(yīng)用需求。 事實上，大功率電源設(shè)備的電子化，是目前電源相關(guān)產(chǎn)業(yè)最熱門的話題。 許多采用傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的電力設(shè)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(qū)動等應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品制造商，對碳化硅方案也很有興趣，未來商機可望逐漸發(fā)酵。 但這些應(yīng)用跟電力電子的需求不同，未必能在很高的開關(guān)頻率下運作，因此英飛凌未來會針對家電、電機驅(qū)動等應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)出對應(yīng)的解決方案。

功率密度優(yōu)勢顯著 電動車應(yīng)用搶頭香

雖然碳化硅組件可望成為推動電力設(shè)備由機械轉(zhuǎn)向電子結(jié)構(gòu)的重要推手，但現(xiàn)階段碳化硅組件最主要的應(yīng)用市場，其實是電動車。

馬國偉指出，電動車應(yīng)用之所以對碳化硅組件的需求如此殷切，主要原因在于可實現(xiàn)更輕巧的電源系統(tǒng)設(shè)計，不管是車身上的動力總成(Powertrain)系統(tǒng)，還是固定安裝在路邊或車庫里的充電樁，導(dǎo)入碳化硅組件的進(jìn)度都非?？臁?/p>

對車載應(yīng)用而言，設(shè)備的大小跟重量非常關(guān)鍵。 若車上的逆變器(Inverter)、充電系統(tǒng)能做得越小巧，則電動車的電池續(xù)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，帶動碳化硅組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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)開始出現(xiàn)在市場上。

然而，電動車充電樁的尺寸要求即便不像車載設(shè)備那么嚴(yán)格，考慮到安裝跟硬件制造成本等問題，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(guān)業(yè)者舍棄傳統(tǒng)硅組件，轉(zhuǎn)向碳化硅組件。

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

圖2 羅姆利用碳化硅組件成功縮小了Formula E電動賽車的逆變器尺寸。

藉由導(dǎo)入碳化硅組件，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(xiàn)優(yōu)化的車輛重心設(shè)計，而且采用碳化硅組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序賽車而言十分關(guān)鍵。 羅姆表示，新一代逆變器的尺寸之所以能大幅縮減，關(guān)鍵在于碳化硅組件的效率更高、開關(guān)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(shè)備所使用的磁性組件跟散熱片大幅減少，從而降低了設(shè)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組件普及

相較于碳化硅在大功率電力電子設(shè)備上攻城略地，氮化鎵組件則是在小型化電源應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)域逐漸擴散，與碳化硅組件連手改變電力電子產(chǎn)業(yè)原本由硅組件主導(dǎo)的格局。

德州儀器(TI)模擬IC應(yīng)用經(jīng)理蕭進(jìn)皇(圖3)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(shè)計帶來效率提升、體積縮小與提升功率密度的優(yōu)勢，因此在服務(wù)器、通訊電源及便攜設(shè)備充電器等領(lǐng)域受到市場相當(dāng)不錯的回響，應(yīng)用需求也越來越多。

圖3 德州儀器模擬IC應(yīng)用經(jīng)理蕭進(jìn)皇

他認(rèn)為，氮化鎵技術(shù)對于電源應(yīng)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(yīng)用分界點為600伏特。 600伏特以上的電力電子應(yīng)用是碳化硅組件的天下，200∼600伏特則是氮化鎵具有優(yōu)勢。 由這個應(yīng)用分野不難看出，就出貨數(shù)而言，氮化鎵將具備先天優(yōu)勢，因為許多消費性電子產(chǎn)品都有機會使用到氮化鎵組件。

近年來在消費性電源領(lǐng)域引發(fā)話題的手機快速充電、USB-PD等技術(shù)，就是氮化鎵組件可以大展身手的舞臺。 和電動車的情況類似，快速充電也是智能型手機或便攜設(shè)備用戶非常歡迎的功能，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(chǎn)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組件來實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計。

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

不過，氮化鎵陣營的業(yè)者也有問鼎大功率應(yīng)用的企圖心。 研究機構(gòu)Yole Developpement便預(yù)測，到2020年時，氮化鎵組件將進(jìn)軍600∼900伏特市場，與碳化硅組件的競爭關(guān)系升溫。

單價偏高仍是普及障礙 創(chuàng)造經(jīng)濟規(guī)模成首務(wù)

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(guān)組件的價格至今仍比硅組件高出一截，形成導(dǎo)入障礙。 因此，不管是英飛凌、羅姆、德州儀器或戴樂格，在營銷推廣的策略上，都是以價值訴求作為操作重點。

馬國偉就坦言，碳化硅組件的價格大約是同級硅組件的3∼4倍之間，故許多客戶在導(dǎo)入時會有一定疑慮。 因此，在市場營銷推廣上，英飛凌會優(yōu)先鎖定硅組件無法切入或缺點非常明顯的市場優(yōu)先布局，藉由創(chuàng)造經(jīng)濟規(guī)模的方法來改善碳化硅組件的成本結(jié)構(gòu)。

事實上，以英飛凌為例，目前該公司的碳化硅組件生產(chǎn)已經(jīng)從4季г采級到6季г玻未來若市場需求繼續(xù)成長，繼續(xù)朝8跡甚至12季г滄進(jìn)，也是有可能的。 而隨著晶圓尺寸放大，碳化硅組件的成本將會比現(xiàn)在更有競爭力。

羅姆則是從整體成本的角度切入。 目前碳化硅組件的單價確實仍比傳統(tǒng)硅組件高出數(shù)倍之多，但由于逆變器這類應(yīng)用設(shè)備最主要的成本來自散熱片跟磁性組件，其中磁性組件的成本占比更可高達(dá)40%。 因此，只要能節(jié)省磁性組件與散熱片的使用量，即便碳化硅組件單價很高，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(tǒng)硅組件之間雖也有價差，但不像碳化硅與硅組件之間那么明顯，因此可以用應(yīng)用市場區(qū)隔的方式來操作。 蕭進(jìn)皇認(rèn)為，目前德州儀器是以高階、小型化電源系統(tǒng)應(yīng)用作為氮化鎵產(chǎn)品線鎖定的主力市場，因此會與硅組件有一定程度的自然區(qū)隔存在。

但整體來說，不管是氮化鎵或碳化硅，最終都是要以硅組件作為參照點，其應(yīng)用設(shè)計跟報價，都是越接近硅組件，越能說服客戶轉(zhuǎn)向新技術(shù)。 要達(dá)到這個目標(biāo)，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(chǎn)業(yè)，只要能創(chuàng)造經(jīng)濟規(guī)模，報價松動就會緊接而來。