高功率/高效成定局 寬能隙元件EV應用大放異彩

作者 : Anthea Chuang,EE Times Taiwan

隨著電動車相關業者致力提高電動車的能源轉換效率、提高系統功率…等,甚至電動車之外的基礎設施也朝高功率、高壓、快充的方向發展。這些趨勢凸顯了現有矽元件的不足,進而帶動寬能隙(WBG)半導體的機會…

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。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。

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。

目前在電動車應用中,寬成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。

本文將探討現階段寬能隙元件在電動車上的應用情況、技術挑戰,以及在電動車應用之外的發展契機。

SiC普及率持續攀升 GaN仍如新參者

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。

因此,電動車與混合動力車中的牽引逆變器、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。

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。

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。

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。

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元件蓬勃發展的最大動力。

 

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)

 

SiC在車用市場,尤其是電動車相關應用,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。

德凱宜特(DEKRA iST)零組件工程部實驗室經理陳冠瑋指出,除了上述提到的應用之外,在車載充電器,透過智慧化功率模組,動態調節充電時電壓或電流參數,未來也可運用SiC MOSFET或GaN Power,對於SiC、GaN來說,都是很好的機會。

技術難題有解方

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。

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:

  • 高溫:晶片及封裝都需要擁有在高溫下持續運作的能力;
  • 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;
  • 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;
  • 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。

陳冠瑋認為,由於寬能隙元件未來會快速運用於動力模組或車載充電器上,所以其壽命預估即相當重要。依照國際規範AQG-324要求,動態的測試不再是test to pass而是使用test to fail方式,找到失效的弱點進而改善,即可獲得可參考的壽命推估。

此外,溫度控制對功率元件來說也是相當重要的一環。因此,在驗證前需要量測準確的熱阻數值,並獲取實際操作時的接面溫度(Junction temperature),讓產品運作在指定且可控的溫度範圍內。執行中若有異常也會透過即時監控電性參數立即停止試驗,並保護產品防止燒毀,以利於後續分析異常原因,進一步協助客戶的找到產品最佳可靠度水準,提升產品競爭力。

從寬能隙元件應用在電動車體內部的環境來看,Nexperia認為,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。

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。

除了解決這些問題外,還得想辦法提升所有這些訊號的準確可見性,以便可以及時做出正確的設計決策。陳川迅強調,增加設計容許度和過度設計只會推高成本並降低性能,使用正確的測量設備可以使一切變得不同。

 

電動車充電拓撲。

(來源:強茂)

 

寬能隙半導體擁有比矽基元件更優秀的特性,然水能載舟,亦能覆舟,從上述業者們提到的新挑戰可發現,電動車設計工程師若無「三兩三」又如何攻克寬能隙半導體這座「山」?為協助設計師順利導入寬能隙半導體,寬能隙半導體供應商、量測儀器等相關業者也使出渾身解數,以期可讓電動車功率相關系統順利轉向寬能隙半導體。

高金萍表示,在高溫和高壓的方面,英飛凌基於超過40年的汽車系統應用經驗,進行耐高溫高壓材料選型,最佳化設計,同時會採用更加嚴苛的測試方法來驗證產品,確保產品符合車規應用。

此外,SiC在帶來更低的損耗的同時,更高的快關速度會帶來較大的di/dt和dv/dt尖峰,將衍生出系統EMC的設計挑戰,同時也會對其他的配套的元件帶來更高的抗干擾的需求。為此,英飛凌也同步研發了下一代矽和SiC相容的預驅晶片以進一步更好的支援SiC的應用。

針對寬能隙元件產品,Nexperia除了進行基於AEC-Q101的驗證外,還延長1,000小時的可靠性,亦即通過總共2,000小時可靠性驗證;不僅如此,透過製程最佳化,Nexperia讓寬能隙產品的產出達到「zero delamination」。如此一來,不論處於如何嚴苛的環境下,都可以安心使用寬能隙元件產品。

楊斐分享,德州儀器與磁性製造和熱介面材料製造夥伴合作,共同探究符合成本效益的一些系統解決方案。在GaN產品封裝設計中,德州儀器採用頂部冷卻封裝,將有助於GaN元件組裝到水冷板,並發揮更好的熱性能。此外,德州儀器在GaN封裝內整合閘極乾燥機,並在軟切換拓撲中為MHz工作頻率減少切換損耗。

強茂則是因應各項新產品開發,設立專職市場應用工程團隊來執行各項新產品在各種應用中的測試和驗證,主要內容有元件效率比較、系統效率模擬、系統現場測試除錯、最佳化電路版設計和技術支援等。

在測試方面,陳川迅說明,使用適當的工具進行測試很重要,這樣設計人員才能正確地設計、開發和整合到最終應用產品中,而太克產品組合解決方案在此發揮著關鍵作用。例如隔離探測系統提供非常適合閘極測量需求的浮動、非接地差動探測體驗;高解析度混合訊號示波器(MSO)適合在存在更高電壓的情況下測試小電壓;高壓SMU儀器可準確的特性量測關鍵的直流參數,以最佳化使用SiC、GaN或任何其他快速開關的矽功率元件等技術的電力電子拓撲架構…等。

 

設計人員使用適當的工具進行測試,才能將寬能隙元件正確地設計、開發和整合到最終產品中。

(來源:太克科技)

 

針對寬能隙元件的相關認證,德凱宜特會依照國際上通用的AQG-324或AEC-Q101等國際規範要求進行,並提供完整的車用可靠度試驗。包括靜態及動態的功率元件參數量測與產品異常分析,以加速產品驗證並縮短磣品上市時程。

產能不受限

近兩年受到全球新冠肺炎(COVID-19)疫情的影響,半導體元件短缺的情況相當嚴重,尤其車用半導體元件嚴峻的缺貨問題,甚至導致車廠無法正常開工。這股半導體短缺的風潮是否也影響了寬能隙元件的產能及供貨?

透過為了確保供應的韌性,英飛凌透過廣泛的供應商和不同合作夥伴在雙邊層面上展開合作。除了2018年收購Siltectra取得冷切割(Cold split)技術,透過大幅減少SiC生產過程中的原材料損耗來提高生產力,增加競爭優勢外,英飛凌也正全力擴充產能。高金萍舉例,英飛凌位於奧地利菲拉赫的300mm晶圓廠已於2021年底投產,將可大幅擴充矽基產品的產能,進而為寬能隙產品提供更大的產能空間。

此外,英飛凌也與GT Advanced Technologies、昭和電工(Showa Denko K.K.)及Cree等簽訂供應長約。如此一來,英飛凌將可獲得更多的基材,以滿足日益成長的SiC產品需求。

 

透過收購而取得的冷切割技術,讓英飛凌可提高SiC元件生產力。

(來源:英飛凌)

 

強茂認為,SiC產品產能最主要受限於SiC長晶及磊晶。因此,強茂已經陸續開發第二家、第三家長晶及磊晶供應商來穩定生產,並朝6吋、8吋晶圓邁進,以提高SiC產品產出。Nexperia坦言,產能的高低波動與太多因素相關,包括是否為策略夥伴、簽長約、地緣關係,以及政治因素…等。站在服務客戶的立場,Nexperia會積極與合作廠商爭取產能。

陳冠瑋則從不同的想法出發,他表示,倘若在初期驗證階段,即能找到寬能隙元件的最佳可靠度水準,進而提高生產效率,相信在產能的配給上也是一個解決之道。

帶動其他元件一併受惠

因為電動車不同於燃油車的動力架構,使得寬能隙元件可在其中大出風頭,也由於寬能隙元件被導入電動車中,連帶也讓其他元件跟著受惠。從車輛電氣化延伸出來的新應用來分析,Nexperia說明,因為電動車動力是從電池而非燃油,衍生出寬能隙半導體的機會,而車輛電氣化後,許多車內設備的電子化便如雨後春筍般應運而生,從螢幕、按鍵、先進駕駛輔助系統(ADAS)、雷達/光達(LiDAR)偵測…等,可以說整台車彷彿是一個行車電腦,更不用說未來的自動駕駛、V2X應用等對通訊元件的需求。

這些應用需求,將帶動車輛導入更多包括小功率的二極體、電晶體、邏輯元件,到大功率的Si MOSFET,以及SiGe二極體…等符合AEC-Q101標準的元件。

陳冠瑋表示,寬能矽半導體的出現,帶動電動車周邊半導體元件的發展動能,整台車像是在奔跑的精密電腦,驅使相關的電子元件需求量大增,例如MCU、MPU、FPGA。隨著自動駕駛、整車智慧化持續的發展,電動車動力傳動模組、充電器等相關產品需求量也會跟著增加,相關元件即有發揮空間。

高金萍強調,在未來幾年中,不同的半導體技術將並存於市場中,在不同的應用場景中分別具有特殊的優勢。例如在牽引逆變器中,基於不同的里程、效率和成本考量,SiC和矽基IGBT各有各的發揮空間——SiC用於後輪驅動,可提升巡航里程;矽基IGBT用於前輪,以便最佳化成本。在極端情況下,如OBC中,同一架構將會同時採用多達五種不同的半導體技術,包括IGBT、矽基二極體、矽基MOSFET,超結 MOSFET和SiC MOSFET。

強茂將於2023年第四季推出SiC MOSFET新產品,則是延伸SiC二極體產品的新領域。強茂介紹,較早期的SiC MOSFET產品設計必須要有閘極驅動線路來最佳化、最大化的表現,然而近期的SiC MOSFET設計以一般矽MOSFET來驅動即可,客戶不需要再準備特殊的閘極驅動器,可獲得低成本的優勢。

電動車之外的更多發展空間

從市調機構的統計可發現,電動車及車輛應用儼然已成為寬能隙半導體市場成長的主要推手,在電動車之外,寬能隙元件能否憑藉其優勢,而有更大的發展機會?答案自然是肯定的。

強茂表示,除了電動車應用外,高效率能源轉換、伺服器電源供應器、遊戲機電源供應器,LED電源供應器、太陽能逆變器,能源儲存系統及家用電器都需要SiC元件提供效率。Nexperia認為,SiC的應用會基於其與生俱來的特性而被大量應用於高電壓與大功率場域。如綠能轉換、DC-AC轉換器、HPC伺服器電源供應器、5G基地台、不斷電系統(UPS)…等;而GaN則會著重在高頻率應用產品,例如手機充電器已經大量採用GaN FET,這股風潮也已開始吹向筆電、螢幕、電視、遊戲機等產品的適配器。

GaN和SiC可承受比矽和III-V元件更高的電場,意味著它們可以處理更高的功率密度和工作溫度。因此,陳川迅指出,GaN具更高的輸出阻抗等優勢,這使功率放大器和功率組合的阻抗匹配更容易,從而在許多射頻功率應用中實現更廣泛的頻率覆蓋和更大的適應性。

高金萍總結,SiC損耗低,功率密度高,因此充電樁、太陽能逆變器、工業電源供應、電動車、軌道交通、馬達驅動,以及受到數位化趨勢驅動的數據中心等,都將成為SiC的主要應用市場。

GaN則是在結構緊湊、高性能和特別高效的充電系統領域得以發揮所長,如行動裝置等消費性電子的充電頭,以及電信設備的電源供應器等。

至於,所謂的第四代半導體的發展,陳冠瑋認為,第四代半導體氧化鎵(Ga2O3)由於操作電壓更高(可高達3kV),製程中的長晶也更容易,再加上低成本(使用天然基材材料)等優勢,使其前景頗受看好。然而,新材料仍有些關鍵技術須被突破,德凱宜特觀察,第四代半導體氧化鎵0.25W/cm.K的熱導率,較其他高功率材料差(SiC熱導率為4.9W/cm.K;GaN熱導率2.0W/cm.K),因此散熱問題仍是後續封裝量產的一大考驗。而低導熱率容易造成在元件操作時介面(interface)的熱崩潰,需更加注意散熱方式,也是在可靠度驗證中,需有效被解決的重要課題。

值得注意的是,第四代半導體對於電動車市場中,與有著同樣耐高電壓的SiC元件產生較大的競爭衝擊。因此若第四代半導體能有效解決散熱問題,或許未來電動車在關鍵元件的選擇上,將會出現更多的變化與應用。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號

 

 

 

 

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