SiC與GaN元件搶上EV當「老大」

作者 : Anthea Chuang,EE Times Taiwan

隨著寬能隙元件在電動車市場的機會大增,未來SiC與GaN在電動車市場是否發生短兵相接的情況,或各擁山頭?

碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)同屬寬能隙(WBG)半導體一員,各有所長亦各有缺點。然而,由於SiC與GaN都有機會改善電動車最昂貴的電池組相關電子元件材料的問題,進一步降低電池組開發技術問題;再加上,為提升電力轉換效率,包括資料中心伺服器、輕混合動力車(MHEV)動力系統朝向48V邁進,更使得SiC與GaN元件身價水漲船高,各家電源相關元件供應商也紛紛投入。

現階段,SiC在車用領域已獲得大量導入,惟該元件成本較高,短期內在電動車領域仍以高階市場為主;GaN則主要是在LED,並可望在中低功率領域,替代二極體、IGBT、MOSFET等矽基功率元件,尤其是800V以內,GaN都具備相當大的應用潛力。

隨著寬能隙元件在電動車市場的機會大增,未來SiC與GaN在電動車市場是否發生短兵相接的情況,或各擁山頭?

寬能隙元件在EV領域的新契機

針對寬能隙半導體何以能夠獲得市場的重視,並逐步開始席捲各應用市場,已有許多業界專家提出看法。EE Times Europe編輯、EEWeb主編Maurizio Di Paolo Emilio針對寬能隙半導體元件特性撰寫了許多文章,他曾指出,以功率半導體領域來說,寬能隙半導體可以讓功率半導體實現高品質、可靠性等必須目標;在設計方面也能讓功率半導體提高效率與功率密度,並同時最小化成本。

另外,在高工作頻率成為目前功率半導體設計最大目標與最大挑戰的同時,更凸顯寬能隙半導體元件的「難能可貴」。

總的來說,寬能隙半導體材料能耐高壓、高電流與高溫,還具備高能源轉換、高頻運作等特性,因此,寬能隙半導體在許多應用中已開始成為新寵兒。包括5G射頻前端、電信基礎設施、微波射頻、資料中心電源、伺服器;消費性電子的無線充電、快速充電電源配接器,以及電動車動力與其他系統…等。

其中,電動車由於主動力與各子系統的運作需仰賴電力,因此更是寬能隙元件可大顯身手的領域。強茂電子(Panjit)資深行銷經理Kevin Lee指出,在需要較高崩潰電壓的系統上,寬能隙元件,特別是SiC,比矽(Si)元件有更多的優勢,包括較好的效率,並能帶來較高的功率密度;在系統層面上,則有助於減少電動車的尺寸和重量,以及延長駕駛里程和電池容量。因此,寬能隙半導體的重要成員—SiC與GaN,現階段在電動車市場的發展又是如何?

現階段SiC與GaN「領地」差距仍大

電動車電源相關系統大致可區分為動力馬達驅動與電池系統,而電動車的電力系統又可拆成車載(on-board)和車外(off-board)充電系統。這些應用區塊目前都可以看到已有SiC與GaN相關元件進駐,不過,SiC和GaN被導入的速度仍有較大的差距。

意法半導體(STMicroelectronics)亞太區功率元件技術行銷經理陳文聰表示,電動車中的動力馬達驅動在應用上會有較大的衝擊電流,依照目前的製程技術來看,SiC較具優勢;另一方面,電池系統則包含了車載電池充電單元、D2D轉換器(converter)等應用,且這些應用持續朝高頻、高密度功率發展,此時,GaN則有較多切入機會。

Rohm認為,GaN元件目前運用在電動車的趨勢還不是很明顯,而SiC因相對成熟,未來在電動車的電力轉換是被看好的,尤其在車載充電設備(OBC)及牽引逆變器(Traction Inverter)這兩塊。

車載系統有多數的高電壓系統,如馬達驅動電路(牽引逆變器),車載高電壓電池充電電路(如OBC)和低電壓電池充電電路(如DC/DC轉換器)。Lee解釋,在馬達驅動電路和車載充電電路上使用崩潰電壓高於650V的SiC元件會比使用矽元件多出多重好處,像是較高的電流密度、較快的開關和能在更高溫下運作。對電動車系統而言,這些好處能讓效率透過更小更輕的系統改善,也能有更好的信賴性;低電壓電池充電電路這類的應用則是適合使用GaN元件來改善效率。

而車外充電系統的部分,電動車充電樁是將電動車高壓電池充電的主要系統。對於電動車充電樁來說,整體系統的價格比功率密度還要重要,因此對於寬能隙元件的需求相對比較少。Lee進一步表示,這是因為系統價格是決定充電樁是否能在市場上廣泛架設的主要因素,因此對於系統的輕巧性就不是那麼的要求。儘管如此,高階系統領域仍持續嘗試著增加電動車充電樁的功率密度,以加快充電的速度。

不過,長期來看,矽仍會是汽車產業採用的主流技術。英飛凌科技(Infineon)汽車電子事業部(大中華區)市場經理高金萍說明,現階段各產業對SiC的需求成長快速,電動車將會是SiC應用的主要市場區塊。英飛凌預期至2025年,汽車電子功率元件區塊採用SiC技術的比重將超過20%,而GaN元件在各類電動車(xEV)市場,如純電動車(BEV)、混合動力車(HEV)…等的滲透率在未來幾年仍佔極少數。即使目前GaN在電動車的應用上,相對來說成熟度仍不足,不過,待其克服技術以及商用上的挑戰後,48V DC/DC可望在中長期成為GaN一個有潛力的應用領域。

優劣不同 SiC及GaN將各據舞台

先從SiC與GaN各自的優缺點來看。GaN是利用在矽基板上長晶,因此具有成本優勢,但技術成熟度與製程良率還需更進一步的提升;反觀SiC具備較佳的技術成熟度,因此市場正迅速成長,且在xEV市場的應用也日益廣泛。

唯獨成本仍是寬能隙半導體的「痛」。陳文聰指出,GaN技術主要是以矽晶圓做為基底,較容易在大尺寸的晶圓上生產,長期來說會有成本優勢。相對的,SiC的晶圓則會有較高的成本。不過,寬能隙元件相較於傳統矽基元件有較好的Rds(on)*area,透過新製程朝降低Rds(on)*area亦可進一步達到成本降低,以及提升效能的目標。

 


 至2023年,xEV數量將大幅成長。

(資料來源:IHS Markit、英飛凌科技)

 

相較於矽元件,寬能隙元件的開發歷史相對短得多。也因此SiC基板密度程度的缺陷還有很大的改善空間,而且其成本還未合理到能驅使SiC普及。不僅如此,SiC和GaN在閘氧化層(gate oxide)品質上有常見的可靠度問題,和臨界電壓(Vth)的不穩定。

Lee認為,要在系統中使用這些元件,應施加負驅動電壓以使設備穩定關閉,這樣會讓系統工程師在設計驅動電路時成為一種負擔。再者,對於高功率元件而言,磊晶層是必要的結構,但現階段尚未出現價格競爭力的好品質磊晶片。然而,SiC和GaN的製程技術穩定度在持續最佳化中,將可望改善其成本結構和良率。

目前電動車主要是200~450V的電池/動力系統,有些高階車款或大型車更有達到800V的電池/動力系統。陳文聰指出,48V動力系統主要是「Light Hybrid Car with BSG system」,並非純電動車,就意法半導體的觀察,200~450V的電池/動力系統,除了馬達驅動系統,以長遠角度來說,GaN會相對看好;若是800V的電池/動力系統則都會是SiC的天下。

從各種適合的應用來看,SiC與GaN有部分電壓等級和頻率是重疊的。一般而言,SiC有機會在許多應用中補充矽解決方案的不足,並實現新的解決方案。SiC主要針對600V~3.3kV (1.2kV適用於xEV市場)高壓高頻的應用;而GaN則可望為未來的電力電子開闢新的前景,適用於100V~600V中低電壓的高頻應用。

Lee解釋,雖然生長GaN EPI的成本較SiC材料低一些,但相較矽產品而言整體價格仍是非常昂貴。GaN FET目前的困難點在於無法達到更高的崩潰電壓,像800V或1,200V,這些電壓是廣泛使用在電動車驅動逆變器上。也因為如此,直到目前為止,若要設計較高崩潰電壓的電動車,SiC MOSFET會是較合適的元件選擇;崩潰電壓低於600V時,GaN FET的開關和傳導效率遠優於SiC MOSFET,因此車載充電器和電動車系統中的低電壓充電器會是比較合適GaN FET的應用產品。

至於,MHEV電池系統朝向48V邁進,是否也提供寬能隙半導體新契機?高金萍認為,針對低壓和高壓不同的系統架構,xEV市場未來將出現幾個趨勢,例如MHEV 48V、全混合動力車FHEV/插電式混合動力車(PHEV),以及純電動車等,也就是說,48V系統將是其中的潛力應用之一。

48V輕混合動力系統是內燃機車輛和電動車的技術橋樑。Lee認為,在48V DC/DC轉換器中採用GaN元件勢必會帶來更好的效率,但隨著最新的中壓MOSFET已發展到了其技術極限,因此用寬能隙元件而帶來的效率改善將不再顯著。且值得注意的是,要48V系統的製造商使用高成本的寬能隙元件會變成一種負擔,因為MHEV的發展重點,本就是聚焦在系統的高性價比。

Rohm則認為,48V MHEV不管在電力轉或電壓都相對比一般HEV或純電動車小很多,所以SiC或GaN元件難以發揮優勢,所以機會不大。

高金萍總結,SiC與GaN雖皆為寬能隙半導體,其特性卻有所不同,針對xEV市場未來的發展方向,兩者將各有其適合的應用範圍。SiC適用於電池電壓300V以上的高壓系統,特別是需求更高開關頻率的應用,如車載充電器,或是在部分負載時需求更佳效率的應用,如長程純電動車的主逆變器;而GaN功率元件則適用於像是48V系統等較低的系統電壓。

 

xEV中的三大電源模組。

(圖片來源:意法半導體)

由此可見,即便SiC及GaN在某些應用與電壓範圍會有些許競爭,但SiC的優勢會在特高壓的產品(>900V),而GaN在低電壓的產品則有性能與成本的優勢。未來,兩者不至短兵相接,而是各有所適。

不僅電動車 寬能隙元件前景看俏

除了電動車市場,需高頻、高效率,以及高功率密度的功率轉換應用都將是SiC和GaN的應用市場,有些應用市場導入寬能隙半導體的速度甚至已超前電動車領域…

 

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