具備寬能隙(Wide Band-gap)特性的碳化矽(Silicon Carbide,SiC)材料,因為具備可支援高電壓運作、高開關頻率、高功率密度、高導熱率,以及能實現薄型、輕量化元件等優勢,是近幾年來最受電力電子/功率半導體業者重視的研發項目之一;儘管SiC元件比起傳統矽元件,仍有成本較高、製程可靠度較低的弱勢,但隨著廠商不斷投入技術研發提升其性能表現,已經逐漸擴展其應用範圍,朝向主流市場邁進。

自1992年即跨足SiC技術開發的英飛凌(Infineon),以溝槽式(Trench)技術突破了平面SiC製程的瓶頸,在2016年發表以CoolSiC為名的MOSFET系列產品並於2017年正式上市。英飛凌工業電源控制事業處大中華區總監馬國偉表示,過去幾年英飛凌的晶片、離散式元件和模組等多樣化SiC解決方案在太陽能電池逆變器、電動車充電裝置與不斷電系統(UPS)電源設備等應用領域表現亮眼;特別是在中國大陸許多城市開始大量建置的電動車充電樁,因為空間有限需要能夠實現小體積設計的解決方案,SiC元件正能符合此一需求。

馬國偉表示,與矽IGBT和MOSFET開關元件相比,CoolSiC MOSFET提供了一系列的優勢,包括在1,200V開關中具有較低的閘極電荷與電容、反向並聯二極體無反向恢復損耗、較低切換損耗等。此外英飛凌1200V SiC MOSFET還透過先進的溝槽式設計,實現了閘極氧化層的高可靠性,以及在開關與傳導損耗、轉導增益、臨界導通電壓方面的高性能表現,和輸出短路的堅固性;因其強韌性,該系列元件也適用於LLC和ZVS等電源切換架構技術,能在矽開關元件無法達到的開關頻率下提供高效率,進而減小整體系統的體積與提高功率密度。

儘管受限於成本和技術,目前SiC元件尚未大量進入電動車與馬達驅動等領域;英飛凌仍看好SiC元件能為這些應用所帶來的高效率與降低產品尺寸等優勢,並持續投入CoolSiC MOSFET的研發設計,目前已推出45m ohm TO-247封裝與11m ohm Easy模組,未來更計畫推出6m ohm 62mm模組。馬國偉指出,目前英飛凌已經能以6吋晶圓生產線製造SiC元件,此外為強化CoolSiC MOSFET元件的供應,該公司亦投入3,500萬歐元用於研發與生產設備,以確保穩定供貨以及技術演進。

20180828_Infineon_NT11P1

CoolSiC MOSFET產品藍圖
(來源:Infineon)

馬國偉表示,SiC雖然因為製造程序比矽元件複雜,在成本上仍然偏高,但SiC元件的價值不能單看成本而須考量整個系統,因為要讓矽元件達到與SiC元件同等的效率,所需搭配的技術總成本可能會高於矽元件,而SiC元件可達到的效率甚至可能是矽元件根本無法達到的。他總結指出,SiC元件製程仍然在持續發展並邁向成熟,雖然在可靠度上還達不到矽元件的水準,但英飛凌已經推出商用產品,代表已經對技術有信心,也認為未來SiC元件在材料與製造成本將會逐漸下滑,並達到更高良率,進軍更寬廣多元化的應用領域。