?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

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(xiàng)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(jì)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?yàn)?H-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(gè)問題，當(dāng)電流在順向傳輸狀態(tài)時(shí)，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?yàn)檫@個(gè)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?yàn)槠渌鶐淼男б娓鷥r(jià)值最為明顯。

目前大功率電力設(shè)備多半仍以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，因此造價(jià)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(diǎn)，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(yùn)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(jī)械為主的設(shè)計(jì)。 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(jì)，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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)作，因此英飛凌未來會針對家電、電機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)更輕巧的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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?br/>
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(shí)間，提高電動車的實(shí)用性，快速充電已成充電樁的標(biāo)準(zhǔn)功能。 這個(gè)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(jì)算機(jī)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(duì)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的車輛重心設(shè)計(jì)，而且采用碳化硅組件的逆變器可以在更高的溫度下運(yùn)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(gè)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(jī)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(kuò)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(jì)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(cuò)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(diǎn)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(gè)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?yàn)樵S多消費(fèi)性電子產(chǎn)品都有機(jī)會使用到氮化鎵組件。

近年來在消費(fèi)性電源領(lǐng)域引發(fā)話題的手機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

也因?yàn)橄M(fèi)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(jī)構(gòu)Yole Developpement便預(yù)測，到2020年時(shí)，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(jià)偏高仍是普及障礙 創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)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(jià)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(jià)值訴求作為操作重點(diǎn)。

馬國偉就坦言，碳化硅組件的價(jià)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(shí)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(diǎn)非常明顯的市場優(yōu)先布局，藉由創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)規(guī)模的方法來改善碳化硅組件的成本結(jié)構(gòu)。

事實(shí)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吋晶圓升級到6吋晶圓，未來若市場需求繼續(xù)成長，繼續(xù)朝8吋，甚至12吋晶圓轉(zhuǎn)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(jià)確實(shí)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(jià)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(jià)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(diǎn)，其應(yīng)用設(shè)計(jì)跟報(bào)價(jià)，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(gè)目標(biāo)，雖然還需要一段時(shí)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(jì)規(guī)模，報(bào)價(jià)松動就會緊接而來。