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功率元件

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功率密度優勢顯著 GaN HEMT挺進大功率市場

相較於矽材料,以GaN材料實作功率元件,可以明顯拉高切換速度,從而讓電源設計者在電源設備中採用更小的電容、磁性元件,獲得提高功率密度,降低損耗的效益。然而,天底下很少有毫無缺點的選擇,作為功率應用領域的新興材料,GaN的可靠度與安全性,終究還是未經時間考驗,對於許多產品生命週期很長的大功率設備供應商,如生產伺服器電源、馬達驅動單元、電動車充電器的業者而言,要在產品中導入GaN元件,必須從長計議。 相較之下,消費性產品的生命週期短,市場對產品的可靠度要求不會像工業、汽車產業那麼嚴謹。只要成本結構對了,終端產品上市跟普及的速度很快。舉例來說,目前消費者已經可以在3C通路跟電商平台上購買到各種基於GaN HEMT的USB快速充電器,雖然價格仍比基於矽元件的同類產品略高,但其外觀小巧易於攜帶,輸出功率又有過之而無不及,對消費者來說仍是有吸引力的選擇。 這個現象也顯示,GaN功率元件的成本結構是相當有競爭力的。只要讓客戶建立信心,GaN功率元件在汽車、工業、資料中心等大功率應用領域,也有不小的發展空間。 熬過醞釀期 大功率應用逐漸浮現 GaN Systems台灣區業務總經理林志彥指出,雖然目前GaN HEMT元件最廣為人知,出貨量也最大的應用,是各種針對零售市場推出的快速充電器配件,或是筆記型電腦的電源供應器,但該公司過去幾年除了耕耘消費性電源應用市場外,其實也花了很多心力在非消費性產品上。舉例來說,資料中心所使用的各種高功率電源設備、電動車上的車載充電單元、工業類的馬達驅動設備、機器手臂等,也都有許多客戶正在設計導入,或是已經有產品量產上市。 事實上,非消費性產品導入GaN HEMT元件的時間點,並不晚於消費性產品。例如西門子(Siemens)的馬達驅控設備,就已經採用GaN Systems提供的方案,還有許多其他不方便透漏的設備客戶,也已經推出基於GaN HEMT元件的伺服器電源、逆變器(Inverter)等產品。還有些車廠客戶,也看上GaN在功率密度上的優勢,而決定與GaN Systems合作,共同發展22kW的車載充電器。 但工業或汽車領域的客戶,對元件的可靠度、安全性,要求都比消費性產品的製造商來得更嚴謹,因此其評估、測試與研發的週期,往往得花上兩到三年。以西門子的馬達驅控設備(圖1)為例,從元件性能/可靠性評估到產品設計、測試與量產,就花了近四年時間。但也因為前期作業紮實,因此從產品量產至今,業界對GaN元件最有疑慮的可靠度問題,至今完全沒有出現過。對GaN功率元件來說,這是一個相當重要的成功案例,有助於建立客戶對GaN元件的信心。 圖1 西門子已經在馬達驅動設備中導入GaN HEMT元件 另一方面,由於前期評估跟設計導入要花極大的心力,因此工業或汽車客戶只要導入某款元件,在終端產品漫長的生命週期中,都必須確保該款元件供應無虞,這使得客戶額外重視元件是否有第二供應來源。也因為這個緣故,GaN Systems與羅姆(ROHM)在2018年中結盟合作,讓兩家業者可以共同滿足客戶需求。 工業、汽車等非消費性產品需要較長的醞釀期。成本、供應鏈是否健全,乃至元件本身的技術特性,都是客戶在設計導入時需要考量的面向。但經過過去幾年的努力,已經有越來越多工業與資通訊電源設備開始採用GaN HEMT元件,電動車應用也已經有了初步成果。GaN功率元件應用開枝散葉,將是指日可待。 成本將是GaN最大優勢 包爾英特(Power Integrations, PI)行銷副總裁Doug Bailey(圖2)則表示,對於同時需要高效率跟小尺寸的電源設備來說,GaN元件所能創造的效益最為明顯。除了消費性的NB電源跟USB快充之外,伺服器跟電動車的電源系統,也是PI非常看好的應用市場。 圖2  包爾英特行銷副總裁Doug Bailey 事實上,GaN作為電源開關,其特性幾乎是全面性地勝過基於矽的傳統元件,只是目前跟矽開關相比,GaN開關的成本還略為高出一截。如果GaN跟矽的價差能持續縮小,可能絕大多數的電源應用都會考慮採用GaN開關。 那麼,GaN開關的成本,有沒有可能直逼矽開關呢?林志彥認為,這個可能性是存在的。事實上,目前GaN HEMT的市場行情,已經很貼近基於矽的MOSFET。如果是小量採購,GaN HEMT的報價約比MOSFET高出一成多,但若是百萬顆等級的大規模採購,跟MOSFET的報價應該是相去無幾。 至於跟另一種寬能隙材料--碳化矽(SiC)相比,GaN的成本優勢會更為明顯。SiC在散熱跟耐高壓方面,表現確實是優於GaN,但SiC的材料成本相當高昂,而且因為結構的關係,不容易微縮,這使得SiC元件不僅起始價格就比GaN高出一大截,降價的速度也不如GaN。 Bailey認為,由於GaN與SiC的成本落差相當明顯,許多高功率應用的開發者都對GaN展現出濃厚興趣。只要針對高功率應用研發的GaN HEMT開發成功,相信許多高功率應用的設計者,都會很快轉向GaN。事實上,高功率GaN HEMT的進展相當快,絕大多數電動車廠都已經拿到高功率GaN HEMT的工程樣本並展開評估,因此,GaN元件在電動車市場上,應該會有十分可觀的成長。 大功率應用更需高整合方案 在GaN元件積極搶攻高功率應用市場的同時,元件的設計將跟著出現哪些變化?林志彥認為,驅動器(Driver)與HEMT的整合,將是必然發生的趨勢。事實上,對消費性電源而言,GaN HEMT與驅動器是否一定要整合,還有討論空間,因為消費性電源的功率低,GaN HEMT的開關速度不須推到極限,以便在開關損失跟開關雜訊之間取得最好的平衡。此外,由於消費性電源的GaN HEMT開關頻率不必拉得很高,因此驅動器到開關之間的距離較長,仍是可以接受的。 舉例來說,對消費性電源來說,GaN...
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2024年功率模組材料市場規模將達22億美元

產業研究機構Yole Développement的功率電子團隊近期發布了對功率電子產業的一項樂觀分析。與 2017年相比,功率元件市場2018年的成長為13.9%。作為功率轉換器和逆變器中的關鍵元素,功率模組市場在2018年至2024年間的CAGR有6.6%,在2024年前達到60億美元市場規模。同時,Yole也認為2024年功率元件封裝市場價值將達到22億美元。 除了產業規模,最重要的一點或許就是EV/HEV市場所顯示出來 的持續成長。 在過去,封裝需求是由產業應用驅動的,但今天市場已經發生了轉變,未來將會不一樣,EV/HEV將會是主角。Yole相信EV/HEV將在2024年前成為最大的功率模組市場,且市值將達到25億美元。因此,功率模組封裝材料市場將在2018年到2024年間以7.8%的CAGR成長,在2024年前達到22億美元的產業規模。在這樣充滿活力的背景下,材料領域將占據功率模組市場的三分之一以上。2018年最大的封裝材料領域是底板(Baseplate),其次是基板(Substrate)。另外的32%是晶粒黏著(die-attach)和基板黏著(Substrate-attach)材料。因此,這些區隔市場中的主要技術選擇會迅速影響到整個功率模組封裝市場。 在晶粒黏著中採用銀燒結的市場比重在增加,特別是由於EV/HEV的推動。這項技術比傳統的焊接材料昂貴,而晶粒黏著市場在2018年至2024年間的CAGR超過10.8%,遠高於其他區隔市場。成長速度第二的是互聯市場。Yole公布的2018年至2024年CAGR為8.7%。緊隨這一細分市場之後的是基板,2018~2024年間的CAGR為8.5%。自從汽車電氣化的初期至今,功率模組一直扮演著關鍵 的角色,尤其是在從逆變器到雙向轉換器的優化上。由於多方面的技術因素,如熱效率和系統整合,這些模組的封裝在如今至關重要。  
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