SiC

碳化矽(SiC)供應商Cree積極布局電動車市場，除投資10億美元擴大SiC產能，打造採用先進技術的自動化200mm SiC生產工廠和材料超級工廠，加速從矽(Si)向SiC的產業轉型，滿足EV電動汽車和5G市場需求外，近期也宣布成為大眾汽車集團(Volkswagen Group)未來汽車供應鏈(Future Automotive Supply Tracks, FAST)項目SiC碳化矽獨家合作夥伴。 Cree首席執行長Gregg Lowe表示，汽車、通訊設施領域持續採用SiC來驅動創新，並產生巨大效益。但現有的供應卻無法滿足市場對於SiC的需求。因此，Cree宣布迄今為止在生產製造的最大投資，這項在設備、基礎設施、公司人力方面的巨大投入，將顯著擴大產能。與2017財年第一季度(也就是Cree開始擴大產能的第一階段)相比較，能夠使SiC晶圓製造產能提高30倍，SiC材料產量增加30倍，以因應未來市場需求。 據悉，這項計畫將為Wolfspeed的SiC業務提供附加產能。通過增建現有的建築設施，使其能成為面積253,000平方英尺的200mm功率和RF射頻晶圓製造工廠，以邁出滿足預期市場需求的第一步。4.5億美元將用於North Fab；4.5億美元用於材料超級工廠(Megafactory)，而1億美元則用於伴隨著業務增長所需要的其它投入。Cree指出，新的North Fab將被設計成能夠全面滿足汽車認證的工廠，其生產提供的晶圓表面積將會是目前現有的18倍，而初步開始階段將進行150mm晶圓的生產。 另外，除了宣布擴大產能外，Cree與福斯汽車集團合作，成為其FAST項目SiC碳化矽獨家合作夥伴。FAST目標旨在推進共同合作，比以往更為快速地實施技術創新。福斯汽車集團和Cree將建構一級(Tier one)緊密合作，通過功率模組供應，為未來的福斯汽車集團旗下汽車提供SiC解決方案，而Cree大幅提高SiC晶圓產能，也有利於雙方的發展。 福斯汽車集團採購負責人Michael Baecker表示，該集團計畫在未來10年發布近70款新電動車型，預計在未來10年，基於福斯汽車集團電動汽車平台生產的汽車數量將從1,500萬輛增加至2,200萬輛；而一個有效的產業生態網絡是取得成功的關鍵。SiC的採用將加速汽車產業轉向EV電動汽車，以實現更高的系統效率，為EV電動汽車帶來更長的行駛里程、更快的充電，同時降低成本、重量和節約空間。

能源的議題是一直以來被討論的話題，在現今節能減碳的需求下，提高轉換效率是新電源轉換器努力的方向。以往所使用的矽功率開關元件；在以矽為材料所開發的金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，其發展已接近物理極限，期待以矽材料的功率晶體來進行電源轉換器的效率改善效果有限，而寬能隙材料所開發的新型功率晶體，如氮化鎵(GaN)高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)可以讓電源轉換器達到更高的效率及更高功率密度。 對矽功率開關元件而言，設計人員對其應用和驅動已經相當熟悉，但對於GaN HEMT的應用和驅動方式的資訊相對比較少，本文針對GaN HEMT的應用和驅動方式作介紹，提供設計人員在使用GaN HEMT上的參考。 氮化鎵功率元件應用要點 如圖1所示，粗略將幾種材料如矽、碳化矽及氮化鎵等功率開關的適用範圍依功率及切換頻率進行劃分，矽功率開關涵蓋目前大部分的應用，適用於切換頻率在500kHz以下的中小功率應用或低頻的大功率應用；大功率的應用且操作於略高的切換頻率的電源轉換系統會選擇SiC MOSFET；而中低功率需要更高切換頻率如200kHz以上，GaN HEMT會是合適的功率開關元件，目前適合GaN HEMT的應用條件在10kW以下，高於250kHz以上的切換頻率，但實際應用還是以設計者的需求為主，可以選擇GaN HEMT取代MOSFET以相同的切換頻率達到較高的效率，或增加切換頻率來達到較高的功率密度需求。 圖1　不同材料功率晶體開關的應用範圍 目前GaN HEMT的應用領域在電信和資料中心使用的伺服器電源是主要目標市場，採用超高效率電源可以降低能源成本而產生回報。於伺服器電源的電路中，目前發展相對成熟的電路之一為無橋式PFC，採用無橋式PFC可以改善傳統升壓型PFC的效率，現在更可以透過GaN HEMT的特性搭配圖騰柱(Totem Pole)PFC電路來進一步提升效率。 一般電源轉換器的功率因數校正(PFC)線路採用升壓型轉換器架構，如圖2所示。輸入電壓範圍從AC 85V~265V，超過三倍的電壓變化，因此電流也是超過三倍的變化，在相同負載條件下，導通損失有十倍的差異，在這麼大的變化下，要最佳化MOSFET和Diode是一個挑戰。操作頻率一般是低於70kHz，使得兩倍頻限制在低於150kHz，因為頻率的增加會增加切換損失且主頻會落入EMI的測試範圍內，控制模式採用連續傳導模式(CCM)可以減少漣波電流、導通損耗和切換損耗。操作在不連續導通模式(DCM)或是邊界模式(CRM)會有較高的漣波電流，但可以達到ZCS導通，因此可以降低切換損失，無論採用哪一種控制模式，橋式整流器占了一定比例的損耗，約占全機1~2%的效率損失，即使PFC開關採用理想的零切換損耗技術也無法彌補橋式整流器的損耗。 圖2　標準升壓型轉換器架構 PFC電路開關降低損耗 將PFC電路中進行功率損耗分析如圖3所示，可以明顯發現橋式整流器所占的功率損耗最大，其中在輸入電壓為85Vac時占總功率損耗的34%，而在輸入電壓為230Vac時占總功率損耗的37%。正因如此，許多無橋式線路被採用在電源轉換器上來改善效率，但整體線路卻變得複雜許多。另一種降低橋式整流器損耗的選擇是採用主動式橋式整流器(Active Bridge)，將較低導通電阻RDS(on)的MOSFET並聯在原有的橋式二極體上，利用Irsm2 X RDS(on)降低原本的Iavg X Vf損耗，保留原本的橋式整流器是需要其協助旁路衝擊電流，避免在異常操作時損壞並聯在橋式整流器上的MOSFET。 圖3　升壓型PFC功率損耗分析 在眾多無橋式PFC的電路架構中，Totem...

半導體製造商ROHM針對大功率通用變流器、AC伺服器、工業用空調、街燈等工控裝置，研發出內建1700V耐壓SiC MOSFET的AC/DC轉換器ICBM2SCQ12xT-LBZ。 BM2SCQ12xT-LBZ是世界首款內建高度節能性的SiC MOSFET AC/DC轉換IC，克服了離散式結構所帶來的設計課題，因此可輕易地研發出節能型AC/DC轉換器。透過專為工控裝置輔助電源設計的最佳化控制電路和SiC MOSFET一體化封裝，使得新產品與普通產品相比具有諸多優勢，像是大幅減少零件數量(將12種產品和散熱板縮減為1個產品)，降低零件故障風險，縮短導入SiC MOSFET的開發週期等，一舉解決了諸多課題。與ROHM傳統產品相比，功率轉換效率提高達5%(相當於功率損耗減少28%)。因此，本產品非常有助於工控裝置的小型化和節能化，有效提升可靠性。 近年來隨著節能意識的提高，在交流400V工控裝置領域，與現有的Si功率半導體相比，可支援更高電壓、更節能、更小型化的SiC功率半導體的應用越來越廣泛。另一方面，在工控裝置中除了主電源電路之外，還內建為各種控制系統提供電源電壓的輔助電源，輔助電源中廣泛採用了耐壓較低的Si-MOSFET和損耗較大的IGBT，在節能方面存在著很大的課題。 ROHM針對這些挑戰，於2015年推出了全球首款用來驅動高耐壓、低損耗SiC MOSFET的AC/DC轉換器控制IC，並一直致力於研發可充分發揮SiC功率半導體性能的IC，在業界中一直處於領先地位。此次又研發出全球首款內建SiC MOSFET的AC/DC轉換IC，將加速SiC MOSFET AC/DC轉換器在工業領域的普及。 BM2SCQ12xT-LBZ採用了專為內建SiC MOSFET而研發的專用封裝，內建專為工控裝置輔助電源最佳化的SiC MOSFET驅動用閘極驅動電路等控制電路，以及1700V耐壓SiC MOSFET。作為全球首創的內建1700V耐壓SiC MOSFET的AC/DC轉換IC，本產品具有以下特點，有助於AC400V級工控裝置的小型化、節能化以及實現更高可靠性，從而提昇SiC MOSFET的AC/DC轉換器的普及。

在 xEV傳動系統中，碳化矽(SiC)電路有助於實現更小的晶片尺寸，同時具備相同效能資料，提供降低切換損耗及提升切換頻率等各種優點。與先前的系統相比，對應封裝技術可實現更有效率且更為輕巧的電源模組，以及獨立解決方案。受益於SiC晶片和最佳化電源模組的一般應用，包括主變頻器、車載充電電子裝置、升壓器和DC-DC轉換器(圖1)。 圖1　xEV應用中半導體平均比例(取決於電氣化程度) SiC元件已上市約二十年，但因為成本及部分品質緣故，在車輛中的使用受到限制。到目前為止，SiC晶圓尺寸通常比矽小很多。高品質6英寸SiC晶圓上市供應後，提升了製造SiC晶片的產能(圖2)。 SiC元件最初是由小規模的專業公司主導，不過目前頂尖半導體公司於標準設備加工SiC元件，具備高輸出及高可靠性，因此SiC的成本發展大有可為。最新一代的SiC溝槽MOSFET，在閘極氧化物可靠性方面也有所進展，使其成為汽車應用的理想選擇。 圖2　更大的晶圓和強化製程可降低成本，並提升SiC晶片可靠性。 碳化矽具備高切換/低損耗特性 相較於傳統的矽基高電壓IGBT或MOSFET(> 600V)，SiC MOSFET具有多種優勢。例如英飛凌1200V SiC MOSFET(CoolSiC)的閘極電荷及電容值比IGBT更低，並具備最低的本體二極體逆復原損耗。這讓切換損耗遠低於矽，並且不受溫度影響(圖3)。此外，MOSFET具有類似電阻的輸出特性，IGBT則類似於二極體。無臨界值導通特性可降低局部負載範圍的洩漏損耗。 圖3　比較CoolSiC MOSFET與矽IGBT之間的切換損耗 以上基本優勢不僅使SiC MOSFET成為高頻運作的理想選擇(例如車載充電電路和DC-DC轉換器)，也適用切換頻率一般低於20kHz的變頻器應用。其中效率主要是由低負載作業決定。例如使用SiC MOSFET可在低或中負載情況下，降低最高2/3的變頻器損耗。 SiC MOSFET可實現體積極為精巧的高效變頻器。在相同條件下，SiC MOSFET的晶片面積遠小於IGBT型變頻器。由於減少晶片損耗，因此提升了各種駕駛情境的效率，特別是具有許多加速階段的城市交通。 就變頻器效率而言，必須考慮能量基本上以兩個方向流動，產生扭矩期間從電池到車輪，能量復原(回收)期間則從車輪返回電池。因此變頻器效率對電池供電電動車(BEV)非常重要，因為這會直接影響行駛範圍，或可使用較小電池提供相同行駛範圍。由於電池是重要的成本因素，電池電芯減少5%至10%，可讓電池電力超過40kWh的系統大幅降低800美元以上成本。 矽支援的崩潰場強度低於SiC。因此標準1200V IGBT損耗明顯高於600V類別的同類產品。另一方面，1200V SiC MOSFET可在850V範圍內，以更高的電池電壓提供非常高效的運作。因此SiC也非常適合用於快速充電應用的架構。就目前正在開發的基礎設施而言，80kWh電池可在15分鐘內充電至80%。這是實作電動車和確保客戶滿意度的重要層面。 選擇適應封裝提升電源模組效能 為充分利用SiC晶片效能，還需要對應的最佳化封裝技術用於電源模組。SiC有助於提高能源效率，不過這不僅需要更出色的封裝材料，也須要考慮較小晶片熱阻更高的問題。較小晶片也會導致提升電流密度，熱機械變形風險也較高。 為了充分利用SiC MOSFET效能，須要採用最低洩漏電感的封裝，因此需要創新的封裝概念用於電源模組，像是HybridPACK Drive系列模組，以及雙面冷卻的封裝概念(例如HybridPACK DSC模組)。這樣就可以開發電源密度非常高的變頻器設計。 開發電動車及油電混合車使用的HybridPACK Drive(HPDrive)電源模組時，必須結合各項技術和應用相關要求。其中包括各種不同要素，例如最佳化成本、高效率、功率密度，啟動扭矩的載流能力，以及受熱循環影響的使用壽命。 目前已經顯示完全整合的開發方法，如何讓電源模組的所有個別元件以這種方式設計，以滿足應用要求達到最佳效果。晶片的額定電壓提升，模組電感降低，因此可在更高的工作電壓和切換邊緣運作。更高的溫度負載能力、更出色的晶片接合技術，以及損耗更低的材料，可提升載流能力，進而提高驅動馬達的啟動扭矩。總而言之，較小的模組尺寸、縮減晶片面積、降低損耗，以及使用最新量產技術，有助於降低系統成本。 採用壓接端子及最新汽車用IGBT技術(EDT2)的HybridPACK Drive模組，比HybridPACK2系列同類產品小約20%，並具有相同效能。HybridPACK Drive產品系列屬於可擴充平台，具有各種電源連接、IGBT和MOSFET技術及熱堆疊選項。本系列產品從一開始就採用模組化設計，從端子接頭就開始秉持模組化概念，有助於以快速焊接程序或螺栓接頭用於纜線連接。此外也提供「長接頭」版本，用於實作相位電流感測器。 此一模組的設計原則，是盡可能減少變頻器製造商的開發工作量(視應用而定)。因此更換基板或熱堆疊可減少或增加輸出功率，毋須變更矽零件。目前有各種基板(扁平，直接冷卻和針狀鰭片)及陶瓷基材可供選擇。 不過若採取保留電子裝置(驅動器板和直流連結電容器)及變頻器設計，但調整冷卻結構的作法，也可以擴充效能。例如以FS820R08A6P2模組(採用750V IGBT、針狀鰭片結構和標準陶瓷)作為100%參考，就可以產生可調整頻寬，提供70%至120%的效能(圖4)。 圖4　HybridPACK Drive電源模組採用模組化設計，可輕鬆擴充。 對更高功率而言，HybridPACK Drive也可以使用1200V技術。首先是1200V...

電動車產業未來幾年將持續加速，以無聲、零排放、零震動的姿態完善產業鏈，持續挑戰內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛的主流地位，同時電池、馬達、電控三大系統也以分進合擊的方式，各自努力發展技術、結合提升車輛效能，然而不管是傳統車廠、新興純電動車廠、Tier 1車廠、通路商、零組件或資通訊系統廠商，都在積極布局與發展自己的解決方案。 未來幾年，相信特斯拉(Tesla)、比亞迪(BYD)與豐田(Toyota)、福斯(Volkswagen)這些新舊車廠間的競爭，到底誰能在下世代交通運具的新局裡取得成功，必然是業界持續關心的話題；然而交通運具牽涉的產業鏈既廣且長，不管是現有龍頭衛冕，或者後進者挑戰成功，在此之前還有更多其他廠商的布局與卡位，並牽動產業面貌的大幅革新，本文特別蒐集部分半導體業者的動態，希望能見微知著藉此洞察未來大勢走向。 電池為電動車技術發展主軸 整個汽車產業未來的投資重心將集中在電動車與自駕車兩大明星，其中電池絕對是最關鍵的部分，所以除了電池芯配方與新材料之外，電池管理系統(Battery Management System, BMS)就是現階段可以協助提升電池利用率的技術，ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai(圖1)提到，要完全耗盡電池堆中的每個鋰電池仍然是一個巨大的挑戰，原因是每個電池的性能不一致，因為溫度環境不同、運作期間性能的變化和降級、準確地感測和監控每個電池單元對於延長容限、實現電動車效率非常重要。 圖1　ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai提到，每個電池的性能不一致，準確地感測和監控每個電池單元非常重要。 該公司一項稱為主動平衡器的技術，將解決電池性能不一致的問題，以提升充電及放電性能；另外，其ASIL-D等級、精確電池監控元件和主動平衡器能夠提升充電和放電性能並延長電池使用壽命，以滿足重複使用(Reuse)市場的需求。另外，致茂電子提供BMS功能驗證的自動測試系統、電池包實驗室測試方案與生產線電池包下線測試等方案。 致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏(圖2)表示，在BMS功能驗證的自動測試系統提供檢測電池芯監控線路(CSC)的功能，提供87001電池芯模擬器解決電池芯監控線路驗證的困擾，87001電池芯模擬器可精準模擬鋰離子電池芯，於可靠安全的環境下取代電池芯，測試電池監控線路，藉以模擬電池芯可吸收和提供能量的電源特性；同時具備電壓和電流的量測監控能力驗證主被動均衡線路與消耗電流，確保電池芯監控線路能準確量測到並處理電池芯電壓狀態變化；測試系統具備檢驗電池管理單元(BMU)上絕緣電阻異常偵測線路的作動情形，模擬絕緣電阻異常狀態，驗證異常時BMS所進行確保人員安全的對策是否有效。 圖2　致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏表示，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，以讓電池包順利工作。 電池包實驗室測試方案主要目的在創造模擬電池包實際使用環境，以達到檢驗電池包效能與安全設計等機制是否達到設計要求，測試設備需要模擬車輛基本的特性，林信宏舉例說明，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，才能讓電池包順利工作；透過統一診斷服務(Unified Diagnostic Services)對電池包進行控制、讓電池包能夠進入受測狀態；最重要的需要具備行車狀態模擬，達到即時控制電壓、電流、功率模式等要求。 以「過溫降載」的應用為例：當車輛的電池包在使用者操作下，若產生過溫度狀態，行車電腦將限制馬達驅動器的拉載功率，電池包的測試設備就必須具備即時狀態的模擬功能，在測試過程中收到電池包所回傳的BMS溫度訊息判斷是否過溫，將充放電設備輸出功率進行調降，達到降載的狀況；同時間會搭配資料收集器，進行電池包各串電壓與溫度的收集，整個操作過程要確認電池芯能在預定的操作區間使用，不會有電池芯異常(過電壓或過溫度)的使用狀態發生。 而生產線電池包下線測試方案針對高功率電池包(Battery Pack)配置，林信宏解釋，主要目的在確保電池包在各個生產組裝結束後，具備高品質狀態離開電池包生產工廠交貨給下游車廠，故會在生產流程的容許下進行電池包功能的檢測，對整個電池包組裝過程中可能發生的故障、安全問題進行測試驗證，確保產品是安全可靠的，內容包含：電池包連接與生產條碼對應測項確認，電池包軟體版本確認/程式燒錄/讀寫序號/運輸位確認，初始狀態確認後，就進行電氣安規測試，有絕緣阻抗測試與接地短路等安全測試。 隨後BMS功能測試包含：高/低壓繼電器開關功能檢測、風冷/水冷機制測試、錯誤碼診斷、性能測試、出廠總電壓檢測、出廠電池包SOC值檢測、高壓互鎖功能檢測、總成極性判定、總電流檢測、充/放電性能、內阻性能(DCIR)、單電芯電壓範圍、單體溫度範圍、電池包的最大單體壓差等測試項目，完成上述各測試項目的要求，進行全自動化的測試程序，完成產品驗證。 充電設施普及與介面標準化 相較於目前消費者使用電動車所產生的「里程焦慮」，過去ICE車輛在加油站不普及的時代相信也有，因此充電的便利性是電動車發展的關鍵之一，包括快充技術與充電站的基礎建設，這部分是台灣產業可以著墨的領域，然而目前充電連接器的規格並不統一，包括：美國SAE的J1772(CCS1/Type1)、國際電工協會的IEC 62196(CCS2/Type2)、日本的CHAdeMO、中國大陸的GB/T以及Tesla推行的SC(圖3)，而且還在發展當中。 圖3　目前充電方式與形式多樣，不利市場推廣。 而充電形式分為交流(AC)充電與直流(DC)充電，德國萊因(TÜV)商用與工業產品服務部門經理翁文進(圖4)指出，交流充電可使用家中220V電源，電流在32~72A不等，每小時充電量為7.0~15.8度電；直流充電使用380V以上的電壓進行充電，充電功率視電池狀況最高可以達每小時100度電甚至更高，AC充電多安裝於家中，DC充電以戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 圖4　德國萊因商用與工業產品服務部門經理翁文進指出，AC充電多安裝於家中，DC充電戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 為了確保車主可以安全無虞且有效率的使用充電設備，安裝的保護零件選用也是一個重點，像是防雷元件、過電流保護器、漏電斷路器、接地保護等，與安全保護都息息相關。翁文進特別提醒，幾個常見的安裝現場差異如：使用漏電斷路器，國際電工法規定在電動汽車充電系統中(IEC 61851-1)必須使用電流跳脫特性為Type A型，可針對交流及直流脈衝進行偵測跳脫，比原本在台灣市場CNS 5422認可的Type AC型有著更高的保護能力。 另外，當使用接地保護時，為確保接地連續性，在短路或電擊危險發生時，可以藉著阻抗匹配將電流導引至地面以保護人員操作安全。翁文進說明，在電工法規的建議是使用螺絲(栓)、彈簧華司、端子、華司、螺帽進行鎖固連接，同時也確保充電程序過程持續的進行。台灣夏季氣候多雷雨，為防止落雷對充電站系統以及電力設施的損壞，防雷元件的正確選用不可少，一方面免於設備遭雷擊而失去功能，也增加人員車輛使用充電站時的安全。 SiC功率元件將大量導入 現在主流的電動車電池組由96串4.2V的電池包串聯組成，總電壓約400V，為了提升電池的傳輸效率並串聯更多電池組，電池系統有往更高壓發展的趨勢，Nagai解釋，電動車傳動系統需要更高電壓、高電流切換開關元件。IGBT是目前常用的一種。當檢視提高逆變器效率和減少動力傳動系統重量和尺寸，以提高每加侖密度的挑戰時，寬能隙的碳化矽(SiC)切換開關元件備受矚目。不過，基於SiC的缺陷密度和晶圓尺寸仍與Si不相容，因此成本仍然是其採用的挑戰。 馬達可以說是電動車的心臟，英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌指出，電動車馬達主要是使用MCU、Gate driver、IGBT模組等核心元件。現階段馬達控制技術已經比較成熟，透過第三代半導體SiC功率模組的性能提升，將是提升馬達系統整體效率的重要關鍵。對於電機驅動，SiC能在目前IGBT的基礎上，提升效率5~10%，碳化矽的100K開關頻率有助於實現電動車的高壓快充。 電動車的充放電和機電轉換主要是靠功率半導體來完成，包括IGBT和MOSFET，一個是把電能轉化為機械能，比如馬達的機電轉化，或者把機械能轉為電能，比如電量回收。另一個功能是把電能從一個地方轉移到另一個地方，比如用車載充電器充電，就是把市電轉移到電池上。ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰(圖5)說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程，也具有高速、耐高壓、耐高溫、小型化以及低開關損耗等功能，能提升車載充電機、車載電源、主變頻器的效率。 圖5　ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程。 包括PCB在內的高溫等級周邊零組件仍然非常昂貴，這也影響了SiC的另一個優點，即高溫耐受能力，其能大幅降低逆變器冷卻系統成本。陳文聰表示，目前SiC的價格相較傳統的矽功率元件還有一倍左右的價差，另外元件耐用度也是另外一個重點，汽車產業前幾年花費很多時間評估SiC的耐用性，由於電動車內部需要電能轉換的部分非常多(圖6)，像牽引逆變器(Traction Inverter)這類與馬達控制關係較高的元件會優先導入，2019年預計是電動車SiC起飛的時間，未來將廣泛應用在電動車的馬達控制與電控系統。 圖6　未來電動車系統將導入越來越多SiC功率元件。 資料來源：ST 另外，ADI強調其強固和可靠的隔離技術，以確保低壓系統和高壓之間不存在干擾。Nagai說明，該公司專注於IGBT、SiC智慧驅動器、整合隔離和電源技術，除了提供精小外型和強固的EMC/EMI功能外，同時更可降低系統成本。此外，ADI還為馬達定位感測提供高精度角度感測器，以便有效地驅動馬達。 掌握車輛電動化與智慧化契機 車輛電動化與智慧化將同步進行，恩智浦半導體大中華區汽車電子市場經理周翔認為，要提高車輛的運算能力，才能實現潛在的二氧化碳減排。從對傳動系統的精確、即時控制，到數學密集型能量優化策略，再加上車上不同電源的定時精確同步，可透過階梯式功能提高來實現可用的計算性能。因此，恩智浦發布下一代混合動力和全電動汽車的GreenBox開發平台。GreenBox允許汽車製造商和供應商在基於Arm Cortex架構的汽車處理多核平台上開發下一代混合動力和電動汽車應用。 GreenBox電氣化開發平台用於在真實的使用者環境中開發控制演算法並對其進行測試。隨著全球對排放的監管限制不斷增加，燃油經濟性目標也越來越嚴格，傳統汽車製造商和新的市場進入者都需要開發工具來快速設計電動和混合動力汽車。GreenBox為HEV/EV設計提供了一條簡單的即用開發路徑，該設計將使用2019才會問世的最新款S32電氣化MCU。 總結目前新能源汽車發展狀況，電動車市場進入推廣末期、普及初期，電動車電池占電動車成本比例需從30%~50%進一步下降，觀察近期Tesla大幅降價與其平價S3車款量產已上軌道，同時Toyota的油電混合車售價已經越來越貼近ICE車輛，電池的成本不再高不可攀。另外充電樁的普及與規格的統一/簡化也須持續推動，現階段混亂的現況可望慢慢改善。 車輛最重要的就是安全，電池包安全設計是無可妥協的重點，電池芯電壓狀態監測，避免過充電狀態產生，電池包在正常狀態使用下或是碰撞後的高壓安規監測都相當重要，避免危害人身安全；電池管理系統與電池包依照使用者的角度，在出貨前或是入料前檢驗都必須做嚴格控管，從原物料的入料檢驗、電池管理系統的功能檢驗、電池模組的組裝品質檢驗、電池包的功能檢驗都必須具備。 上述發展重點有許多要依靠半導體元件的控制與轉換功能，才能精準地達到技術要求並改善現有的諸多問題，因此電動車中半導體元件使用的數量將會持續增加，每輛車成本中半導體元件成本比重也相對提升，挑選有潛力的系統/技術投入，台灣的資通訊、精密機械或汽車零組件產業，依靠過去深厚的基礎，有機會進一步提升，並找到下一個百年的成長契機。

以下將介紹以GaN材料的功率晶體，包括GaN材料的物理特性以及GaN高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)的元件特性，以便對此新材料及新元件有進一步的認識。 認識氮化鎵材料特性 寬能隙的材料相較於矽材料，有較高的電子能階，矽施予1.1電子伏特(eV)的能量可以使電子從價電帶移動到傳導帶，而寬能隙材料的GaN需要3.5eV及SiC需要3.3eV，GaN與SiC相較於矽材料有七倍以上的崩潰電壓強度，而電子飽和速度也比矽材料快兩倍以上，寬能隙的材料特性具有高耐電壓及高速切換的特性，應用在電源轉換器上，可以有效提高其功率密度。 早期矽功率開關元件是採橫向的結構設計，但在給定的導通電阻RDS(on)下，晶體尺寸過大，最終無法有效降低導通電阻。為解決這個問題，目前矽的功率開關採用垂直結構設計，其閘極(Gate)與源極(Source)在頂部，汲極(Drain)在底部。 圖1為GaN HEMT功率開關的剖面結構圖，使用橫向結構的水平型設計，GaN可以外延生長到矽的基底上，GaN HEMT有別於其他傳統半導體，具有非常強的極化(Polarization)效應，除了因III-V離子鍵和晶格結構所形成的自發性(Spontaneous Polarization)極化外，在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層之間產生異質結構，成長異質結構因晶格不匹配而形成的晶格擠壓，額外造成壓電電極化(Piezoelectric Polarization)，這兩個極化效應使得異質介面結構促使GaN的能帶(Band)朝氮化鎵鋁(AIGaN)方向自然彎曲。因此，彎曲的部分就會產生一層薄但密度高的高遷移率自由電子層，稱為二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)，此二維(2D)電子氣的電子遷移率極高，因此能達到非常快的切換速度，所以將其稱為氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN HEMT)，也因為二維電子氣的特性使得元件結構中的導通電阻可以大幅降低，尤其是用來承受反向偏壓電壓的漂移區(Drift Region)所貢獻的導通電阻部分。 圖1　橫向增強型GaN HEMT的截面圖 半導體必須外接偏壓，提供足夠的電子伏特才能跨越費米能階(Fermi Level)，使半導體從絕緣體變成導體，但在GaN和AlGaN接面處形成的二維電子氣讓GaN HEMT不需要外置偏壓即可導電。製程上，GaN HEMT將源極和汲極的金屬連接二維電子氣，所以GaN HEMT本身是常開型(Normal On)的半導體元件，閘極位於汲極和源極之間用來控制GaN HEMT的導通與截止。但常開型的GaN HEMT，在電源轉換器使用上會造成驅動電路的設計複雜化。 如何將常開型的GaN HEMT改變為常閉型(Normal Off)的GaN...

Power Integrations (PI)，宣佈推出SIC1182K SCALE-iDriver，這是一款高效率、單通道碳化矽(SiC) MOSFET閘極驅動器，可提供最高的可用峰值輸出閘極電流，而無需外部升壓階段。裝置可設定為支援不同閘極驅動器電壓需求，符合當今 SiC-MOSFET 的需求範圍；主要應用包括 UPS、光電流系統、伺服驅動器、焊接變頻器和電源供應器。 SIC1182K可在125°C的接面溫度下提供高達8A輸出，允許這些裝置支援設計高達幾百千瓦的SiC-MOSFET變頻器，而無需升壓階段。這會產生高系統效率，且可讓客戶僅生產一種設計來涵蓋其不同額定值的整個電源變頻器組合。高達150 kHz的切換頻率支援多種應用。 SCALE-iDriver SIC1182K SiC閘極驅動器採用Power Integrations的高速FluxLink通訊技術，可顯著提升絕緣能力。FluxLink是訊號傳輸的革命性產品，取代了光耦合器和電容或基於矽的解決方案，大幅提高了可靠性並提供了高達1200 V的增強型絕緣。SCALE-iDriver裝置還包含系統關鍵保護功能，例如去飽和監控和電流感應讀數、一次側和二次側欠壓鎖定(UVLO)和進階主動箝位(AAC)。此外，保護電路還提供5微秒內安全關機，可滿足SiC裝置的快速保護需求。SIC1182K SiC閘極驅動器展示出高外部磁場耐受性，採用的封裝提供≥9.5公釐的安規距離和間隔距離，使用的材料具有最高CTI等級CTI600 (IEC60112)。 Power Integrations閘極驅動器產品資深行銷協理Michael Hornkamp表示，碳化矽 MOSFET技術為縮小大小和減輕重量，以及減少電源變頻器系統損失打開了大門。採用FluxLink技術的SCALE-iDriver系列允許利用非常少的外部元件進行安全、低成本變頻器設計，確保功能安全性以及小巧的封裝和最大化的效率。 SCALE-iDriver技術可減少所需的外部元件數並降低BOM；不需要鉭或電解電容器，僅需一個二次側繞組。可以使用雙層 PCB，其可增加設計簡易性、減少元件數並簡化供應鏈管理。Power Integrations的SCALE-iDriver SIC1182K SiC閘極驅動器符合低於1000 V的低壓設備IEC60664-1絕緣配合和IEC61800-5-1電動馬達驅動變頻器法規。UL 1577、5...

德國半導體大廠英飛淩(Infineon)科技在功率半導體領域市占全球第一、車用半導體領域全球第二。2018年全球營收達76億歐元，而本於讓人們的生活更加便利、安全和環保的目標之下；2019年，也將在汽車電子、工業電源控制、電源管理與多元電子、數位安全解決方案等四大事業持續推動與發展。 德國本來就是全球汽車產業最發達的國家之一，因此英飛淩投入汽車電子領域甚早，該公司大中華區總裁蘇華表示，英飛凌是為數不多的能全面涵蓋汽車領域重要應用的汽車半導體製造商之一，產品組合包括微控制器、智慧感測器、射頻收發IC、雷達以及分立式和整合式功率半導體，適用于動力總成、底盤、舒適性電子設備以及駕駛安全應用。 根據市調機構Strategy Analytics報告指出，英飛凌2017年汽車半導體市場市占率為10.8%，居業界第二，僅落後於恩智浦(NXP)的12.5%。蘇華指出，在汽車潔淨、安全、智慧的大趨勢下，電動車、ADAS、車聯網等技術與應用為來幾年將持續發展，2018會計年度，英飛凌汽車電子事業處營收為32.84億歐元，營收占比達43%，該公司有信心汽車電子業務將持續發展並更上一層樓。 而在工業電源控制部分，該領域對於高效發電和輸電而言至關重要，相關應用包括風力發電機、高壓直流輸電系統、儲能系統、電動車充電基礎設施以及家用電器等。為了進一步強化此領域業務，英飛凌致力發展碳化矽(SiC)技術，並應用於整合控制器、驅動器與功率開關的智慧功率模組(IPM)。根據IHS Markit的報告，英飛凌在分立式功率半導體與模組市場中，以18.6%的市占率，連續15年居業界第一，蘇華說明，2018年，英飛凌工業電源控制部門營收13.23億歐元，占公司營收17%。 而在電源管理與多元電子方面，專注於打造用於能源管理的功率半導體以及用於無線基礎設施與行動裝置的元件，尤其是MOSFET產品。採用氮化鎵(GaN)製程的驅動器與控制器，近年產業潛力十足；在高頻與感測器領域，矽製程的MEMS麥克風、飛時測距(Time of Flight, ToF)解決方案都是熱門的產品，根據IHS Markit研究，英飛凌於2017年MOSFET功率半導體市場，市占率達26.3%，2018年度，該部門營收達23.18億歐元，占該公司整體營收31%。 而面對5G、物聯網、自駕車、AI等趨勢，蘇華強調英飛凌會採用靈活開放的策略，包括發展5G前端晶片解決方案、mmWave雷達應用、導入AI人工智慧與深度學習於其軟硬體產品中；製造部分該公司除了在德國擁有全球唯一量產的12吋功率半導體廠之外，也要在奧地利興建第二個12吋功率半導體廠，並且擴大委外代工，包括持續與台灣或中國的後段封裝廠的合作關係。

Cree近日宣布簽署一份長期供貨協議，為意法半導體(ST)生產和供應Wolfspeed碳化矽(SiC)晶圓。按照該協議規定，在目前碳化矽功率元件市場需求明顯成長的期間，Cree將向意法半導體提供價值2.5億美元之150mm先進碳化矽裸晶圓與磊晶晶圓。 意法半導體總裁暨執行長Jean-Marc Chery表示，ST是目前唯一一家量產車規等級碳化矽元件的半導體公司，ST想要加速提升SiC業務的應用規模和廣度，在2025年估值超過30億美元的市場中取得領先地位。與Cree達成的這項協議將提升靈活應變能力，為實現宏偉目標和計劃提供支援，亦有助於推動SiC在汽車和工業領域的應用普及。 Cree執行長Gregg Lowe則表示，該公司始終專注於提高碳化矽解決方案的應用普及率，這份協議是我們堅守使命的證明，是去年以來該公司為支援半導體工業從矽向碳化矽轉型而簽署的第三份長期供貨協議。作為全球領先的碳化矽晶圓供應商，Cree不斷擴大產能以滿足持續成長的市場需求，特別是工業和汽車應用領域。

布局氮化鎵(GaN)市場，意法半導體(ST)近期宣布和CEA Tech旗下之研究所Leti宣布合作研發矽基氮化鎵功率切換元件製造技術，以滿足高效能、高功率的應用需求，例如電動汽車車載充電器、無線充電和伺服器等。雙方將利用IRT奈米電子技術研究所的框架計劃，製程技術將會從Leti的200mm研發線移轉到ST的200mm晶圓試產線，預計2020年前投入運營。 如何提高能源使用效率，已是產業界共通的發展課題，而氮化鎵具備更高的開關速度、更低的切換損失等特性，能有效提升高功率電源系統能源效率。因此，許多電源相關晶片業者紛紛將未來產品重心放在GaN的應用導入之上；有鑒於矽基氮化鎵技術對電源產品應用的吸引力，Leti和ST正在評估高密度電源模組所需的先進封裝技術。 意法半導體汽車與離散元件產品部總裁Marco Monti表示，在認識寬能隙功率半導體價值後，該公司與CEA-Leti開始攜手研發矽基氮化鎵功率元件的製造和封裝技術，希望透過雙方合作，打造更完整的GaN和SiC產品組合。 Leti執行長Emmanuel Sabonnadiere則指出，該公司團隊利用其200mm通用平台全力支援ST矽基氮化鎵功率產品的策略規劃，並完成準備將該技術移轉到ST圖爾工廠的專用生產線。 本合作計畫之重點是在200mm晶圓上開發和驗證製造先進矽基氮化鎵架構的功率二極體和電晶體。ST和Leti利用IRT奈米電子研究所的框架計劃，在Leti的200mm研發線上開發製程技術，預計在2019年完成可供驗證的工程樣品。同時，ST還將建立一條高品質生產線，包括GaN/Si異質磊晶製程，並計劃2020年前在法國圖爾前段製程晶圓廠進行首次生產。 為搶攻GaN市場，ST近期可說是動作頻頻。除了和Leti合作研發先進矽基氮化鎵功率二極體和電晶體架構外，不久前也宣布與MACOM合作開發射頻矽基氮化鎵技術。射頻矽基氮化鎵採用與矽基功率氮化鎵不同的技術，其應用優勢也不同。例如，功率矽基氮化鎵技術適合在200mm晶圓上製造，而射頻矽基氮化鎵目前更適合在150mm晶圓上製造；但無論哪種方式，由於低切換損失特性，GaN皆適用於更高工作頻率的產品應用。