以SiC和GaN打造接軌未來電力電子元件
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，Power Electronics News主編
隨著SiC和GaN等寬能隙(WBG)元件出現，電力電子技術開始發生翻天覆地的變化...
儘管當今各種半導體技術正蓬勃發展，仍有更多的裝置和系統還在使用傳統的電力電子元件進行生產。為了確保讓各種裝置和技術的製造可持續進行，還必須關注並牢記不同的安全和環境規範以及提高效率。
隨著碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)元件出現，電力電子技術開始發生翻天覆地的變化。事實上，這些材料的特性使其特別適合運作在高壓和高開關頻率下的應用，而且還能提供比最先進矽基功率元件更好的效率和散熱管理。
去年8月，在PowerAmerica舉辦的「SiC和GaN：未來即現」(SiC and GaN: The Future Is Now)寬能隙半導體研討會上，PowerAmerica執行董事兼技術長Victor Veliadis和其他業界人士就SiC和GaN功率半導體及其應用的最新業務和技術發表演講。
PowerAmerica是一個由產業、大學和國家實驗室組成的聯盟，其目標在於加速寬能隙電力電子技術的採用。
Veliadis表示，「寬能隙相關業者涵蓋了整個生態系統，其中許多公司涉及SiC和GaN的晶圓廠和材料以及元件、電路和模組。有些製造工業系統的公司基本上將SiC插入於其系統中，進而從效率、減輕重量、更小體積和其他優勢中受益。我們也與許多大學建立合作關係，並且與白宮和能源部(DoE)密切合作，為其匯報不斷擴大的寬能隙市場。因此，過去三年來，我們善用了310萬美元的會員資金完成了17項專案，這些專案都來自會員的選擇和執行。」
納微半導體(Navitas Semiconductor)共同創辦人兼技術長/營運長Dan Kinzer談到了GaN的效率、可靠性和自主性。根據Navitas和其他發言人指出，GaN和SiC是下一次電力電子革命的未來。
Kinzer說：「我們花了很多時間進行研發，與台積電(TSMC)合作打造功率元件，並開發自家的製程設計套件。」
圖1：GaN的市場機會。(圖片來源：Navitas Semiconductor)
據Navitas稱，SiC是1,200V以上以及100kW以上應用的絕佳解決方案，在這些應用中，側向GaN技術難以滿足這些功率級的需求(圖1)。
側向GaN解決方案有助於實現電路整合。它們可以在非常高的開關頻率下運作。據Navitas稱，GaN最高可達40MHz。
Kinzer指出，「這當然不是開關頻率的限制——通常是一些其他系統元件，很可能是磁性元件，才會成為關鍵限制。」他補充說：「GaN的優勢在於能在矽基底上形成非常輕薄的薄膜，所以它是一種低成本的基底，而且可以大量使用。此外，還有相當多的矽晶圓廠正在尋找可用的移植策略，因為GaN可以使用舊世代的半導體製造技術和設備。」
為了獲得蓬勃發展的業務和擴大客戶範圍，需要開拓多個市場。其中之一是快速充電器，主要低於300W，因為這在目前已售出約6000萬台設備中佔很大比例。小米(Xiaomi)等公司推出了120W配接器，為各種裝置的充電速度比以前的技術更快了。
從環境角度來看，GaN元件每年可為電動車減少多達25億噸的二氧化碳排放量。
Kinzer說：「電動車正加速被採用。而我們是一家經過認證的碳中和企業，也是第一家獲得此認證的半導體製造商。因此，在產品生產過程中所釋放的任何碳都已被抵消。單晶片整合為這些結果帶來了極大的幫助，隨著時間的推移，我們預計將會看到整合取得更多效益。」
寬能隙材料
英飛凌科技(Infineon Technologies)副總裁Peter Friedrichs指出，包括數位化和脫碳化等全球大趨勢，都需要使用SiC和GaN等寬能隙元件(圖2)。由於其特殊的技術特性，能夠同時提供最大的性能和能源效率。
「目前，從時間表來看，我們並未看到寬能隙無法對哪一單項功率半導體應用造成影響，這不僅僅是一項學術或技術活動。」此外，Friedrichs表示，「如果你看看當今的幾大趨勢，確實有著巨大的成長，不僅是在電動車領域，同時還包括廣泛的工業應用，尤其是那些能讓電動車運行的應用，如電動車充電基礎設施或是以再生能源產生綠能等。」
圖2：英飛凌以寬能隙技術補強其各種解決方案。(圖片來源：Infineon Technologies)
Friedrichs指出，「根據我們的分析顯示，太陽能發電、電動車充電、電源和不斷電供應系統(UPS)都已經達到或超過了這個臨界點。」
他並補充說：「預計從大約2025年開始，SiC的使用量將接近爆炸式成長，因為進一步的應用將急劇增加，例如在電動車、電聯車推進系統或大規模儲存系統中。」
在炎熱的夏季，太陽能在能源結構中的佔有率已經創新紀錄。但是，如果沒有陽光怎麼辦？雙向充電可將太陽光電(PV)系統的太陽能儲存在電動車和家用的電池中，並在夜間或家用電器需要運作時將其供應回家庭電網。這種處理方式讓我們能夠保護環境、節省資金，並進一步激勵過渡到零排放的電動車。
英飛凌和台達電子(Delta Electronics)開發了集太陽能、儲能和電動車充電於一體的三合一系統。得益於雙向逆變器，電動車不僅能夠充電，還可以用作緩衝儲能或家庭應急備用電源。越來越多的車輛已經配備這一功能。展望未來，雙向能量流也可用於實現新的車對家和車對電網等解決方案。
現在我們非常清楚可以在節能方面產生什麼樣的影響。隨著產業從現有基於矽的平台轉變為SiC和馬達驅動端點，這正是真正需要時間才能達到的應用之一，也是當今工業電力電子的最大領域。
功率密度如今已顯著提高，而與SiC半導體交易相關的整體損失減少了三分之二。Friedrichs還指出，雜訊級也要更低得多，這一點非常重要，特別是針對住宅應用或任何接近住宅的安裝時。根據Friedrichs，UPS是另一個產品案例，從營運費用和安裝成本中就可以看到這項產品使用SiC的好處。
安森美(onsemi)電源解決方案部門資深總監兼CTO Pavel Freundlich就該公司的寬能隙產品發表主題演講。
onsemi專注於工業和汽車領域。其工業部份的主要目標是專注於太陽能轉換的儲能和充電方法。而在汽車方面，主要關注點在於使用SiC的電動車牽引逆變器。
「以我們自家公司的營收來看，大約有三分之二來自汽車和工業。」但為什麼是汽車和工業？Freundlich表示，「我們認為這二者正是21世紀的經濟引擎。這就是為什麼在過去——在20世紀，產業的特點是能源密集，並採用遠距離輸電和配電，而不是高效率的能耗。因此，能源主要來自於化石燃料，包括汽油動力車、內燃機和其他耗能大戶。其結果當然是產生碳排放。如果要將全球暖化控制在1.5℃，就必須立即採取行動。所以現在真的是機不可失，而我們的解決方案正適用於汽車和工業領域。這就是我們對未來的看法，相較於能源集中生產，我們更著眼於本地的再生能源，它消除或顯著減少了長距離配電，也就減少了所遭遇的損耗。然後，就能耗而言，我們必須做到高效率，因此必須讓逆變器能夠高效率地轉換，並採用高效率的馬達以及工業自動化。」
隨著越來越多的汽車製造商加大對電動車開發的投資，SiC對汽車產業的重要性將越來越高。它提供了更高的電壓、更高的功率密度和更高的效率。在這些優勢中，每一項都有助於降低每終端成本，從而縮短充電時間並延長充電間隔。
圖3：SiC的主導地位——從基底到系統。(圖片來源：onsemi)
圖4：電動車充電站模組。(圖片來源：onsemi)
Freundlich表示，「我們的SiC解決方案適用於整個市場的所有電動車類型。除了牽引逆變器和電動車，該解決方案還可以應用於廣泛的用例，例如AC/DC或DC/DC電源轉換器、高速列車、PV逆變器、醫療設備、馬達驅動、電網輸電和固態變壓器。」
續航里程更長的電動車不僅應該成為標準，而且，如果希望道路上的每輛車都是電動的，電池也應該做到更便宜且充電更快速。隨著矽由於其更大的能隙寬度、更強的擊穿電場和更高的導熱性而接近其理論極限，業界正轉向將SiC用於電力電子。相較於矽基元件，SiC MOSFET具有更低的損耗、更高的開關頻率和更高的功率密度。
SiC還具有很強的實體鍵合，這有助於其實現出色的機械、化學和熱穩定度。然而，製造SiC晶圓是一個困難的過程。並非每個晶圓都適用於二極體和MOSFET等終端產品。
因此，即使業界為了達到200mm晶圓直徑而做出巨大努力，但也將許多關注重點放在改善並最佳化150mm晶圓的技術上。
即使在200mm晶圓成為業界標準之前仍有一些挑戰需要解決，但業界已經開始轉向更大直徑的SiC晶圓。相較於相同尺寸的矽晶圓，SiC晶圓本質上在生產方面更具挑戰性。
(參考原文：Creating Future-Ready Devices with SiC and GaN，by Maurizio Di Paolo Emilio)
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