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SiC/GaN電源模組封裝材料2023年產業規模達19億美元

碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)正在推動新的電源封裝解決方案發展,市場研究組織Yole Développement表示,SiC技術逐步成為滿足工業要求的重要解決方案,市場估計2017年至2023年的複合年成長率(CAGR)達到29%。電源模組封裝材料產業在2017~2023年的CAGR為8.2%,產業規模將從12億美元成長到19億美元。 除半導體產業外,EV/HEV產業對高功率密度和機電整合的需求也以專用封裝解決方案推動了許多電力電子創新。在不斷創新的過程中,有兩個主要技術趨勢,用於混合動力汽車的超模壓雙側冷卻模組和用於電動車的帶有針翅式底板的單側冷卻模組。 事實上,2017年是IGBT功率模組市場令人印象深刻的一年,2018年又更上一層樓,上半年成長超過20%。主要原因是EV/HEV產業的推動,特別是在中國。因此,整個電源模組市場預計在2023年將超過55億美元。  
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ST電隔離柵極驅動器控制SiC電晶體

半導體供應商意法半導體(STMicroelectronics, ST)的STGAP2S單路隔離柵極驅動器提供26V的最大柵極驅動輸出電壓,能讓使用者選擇獨立的導通/關斷輸出或內部主動米勒鉗位功能,其可使用於各種開關拓撲控制碳化矽(SiC)或矽MOSFET和IGBT功率電晶體。 STGAP2SCM配備一個主動米勒鉗位專用腳位,提供一個防止半橋架構意外導通的簡便解決方案。在MOSFET關斷狀態時,該腳位可將MOSFET柵極電壓限制在隔離接地電壓,直到下一個真正的導通訊號出現為止。 STGAP2SM具有獨立的導通/關斷輸出,可搭配兩個外部柵極電阻來優化電晶體開關性能。 全系列STGAP2S驅動器標配4A Rail-to-Rail輸出,即使驅動大功率逆變器,也能確保開關操作迅速、高效。輸入到輸出傳播延遲在80ns以內,在高開關頻率下也能達到PWM精確的控制,滿足SiC元件的驅動要求。出色的抗dV/dt共模瞬變干擾能力,使其能夠防止耗能的雜散開關操作。 元件內建1700V電隔離功能,可以降低消費或工業用馬達驅動器、600V或1200V變頻器、DC/DC轉換器、充電器、電焊機、感應爐、不斷電供應系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)和功率因數校正(Power-Factor Correction, PFC)控制器的物料成本。 這些產品整合全面的保護功能,其中,欠壓鎖定(Under-Voltage Lockout, UVLO)可在電源電壓過低時保護電源開關。此外,過熱保護和硬體互鎖可以防止半橋電路中的高/低邊交叉導通;待機模式可在節省電源的同時將輸出保持在安全狀態。  
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滿足工業電源傳輸需求 TI從五大面向著手

在資料中心、車用電子、工業等眾多應用驅動之下,全球能源使用量大增,如何有效提高能源使用效率,已是產業界共通的發展課題。為此,德州儀器(TI)將從工業自動化、能源效率、功率密度、分散式與再生能源,以及大數據儲存與傳輸等五大面向著手,透過各種創新技術,提升能源管理效率。 在工業管理方面,TI指出,工業自動化能夠提升產能及製造效率,但安全疑慮也隨之而來,自動化工廠內常設有沉重又龐大的機器設備,需要高電壓操作,為工廠操作員帶來困難與危險。因此須採用隔離技術,讓感測節點和操作員在高電壓環境下,仍能有效且安全地工作。 而隨著大數據和人工智慧興起,全球對快速存取資料的需求與日俱增,儲存與取得資料所需的能源也隨之攀升,如何管控相關成本及對環境所造成的影響將成為一大挑戰。 TI表示,資料中心的雲端儲存/運算需求增加,導致其耗電量也因而提高;預估至2020年,資料中心的耗電量將突破730億度,相當於超過千萬戶的家庭用電。換言之,資料中心存放的資料愈多,冷卻所需的能源便愈高,對電網造成的負擔也會愈大。 也因此,全球對於提高發電與配送能源的需求顯而易見,如何實現高效率的能源轉換已成當務之急。因此,新材料和新技術趁勢崛起,像是運用共振與混合式DC-DC變壓器等新技術,達到尺寸縮小、效能提升、升溫減少等目標;再結合演算法,便可減少系統閒置時所需耗費的電力,壓低能源需求。或是運用氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)等新興功率半導體,實現高電壓、高效能、小尺寸目標。 另一方面,隨著半導體技術導致功能增加後,也帶動能源需求提升。TI指出,而在電池容量與效能成長之際,功率密度也須跟著提升,才能增進使用者體驗。 德州儀器工業系統解決方案應用經理孔令梅表示,工業自動化、大數據儲存與傳輸及分散式再生能源等應用興起,市場對於電源設備的效率和功率密度更加要求,該公司也持續推出創新參考設計,如新一代主動鉗位反馳式控制器UCC28780和LLC諧振控制器UCC256301等,滿足工廠電源傳輸設備、UPS、通訊與伺服器電源、DC-DC設備、無人機電池組等應用需求。
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滿足高功率轉換/小體積電源設計需求 晶片商啟動SiC軍備競賽

碳化矽(SiC)市場發展持續增溫。根據市調機構Yole Développement調查指出,全球SiC功率半導體市場將從2017年的3.02億美元,快速成長至2023年的13.99億美元,2017~2023年的市場規模年複合成長率(CAGR)為29%。其中,隨著汽車製造商未來5~10年內於主逆變器、車載充電器(OBC),以及直流-直流(DC-DC)轉換器等裝置皆陸續採用SiC功率半導體,汽車產業將成SiC市場加速成長的關鍵推手,特別是電動車款的應用。 SiC市場加速攀升 電動車成主要推手 電動車(EV)市場持續蓬勃發展,根據Frost&Sullivan研究顯示,全球EV銷售量將從2017年的120萬輛增加到2018年的160萬輛,並可望在2019年進一步上升至約200萬輛;特別是中國大陸地區,未來5至7年內將成為EV最大市場。為提升電動車整體效能,達到更好的電源轉換效率,在矽(Si)元件已被認為逐漸逼近性能上限之刻,車商、半導體業者開始轉往發展寬能隙半導體,而SiC具備高切換速度、高耐壓與低損耗特性,因而備受汽車產業青睞。 Yole化合物半導體技術和市場分析師Hong Lin表示,SiC功率半導體的普及率,取決於汽車製造商的導入;目前已有汽車業者在主逆變器、車載充電器和DC-DC轉換器中,採用SiC功率半導體。像是特斯拉(Tesla)便已在旗下Model 3電動車中使用SiC金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)元件,來降低導通和開關損耗。 同時,Yole預估2018年全球將會有超過20家的汽車業者,在OBC中使用SiC肖特基二極體(Schottky Diodes)或SiC MOSFET;未來SiC功率半導體在OBC市場中有望以CAGR 44%的速度成長至2023年。另外,Yole預估將有愈來愈多的汽車製造商會在主逆變器中採用SiC功率半導體,特別是中國車商,近幾年更是紛紛考慮使用SiC功率元件,因此,2017~2023年,SiC功率元件在主逆變器市場的CAGR,更可能高達108%。 羅姆(ROHM)半導體台灣設計中心主任工程師蘇建榮(圖1)指出,SiC剛開發時,容易遇上兩個挑戰,分別是Body Diode的信賴性問題,因為當Body Diode通電時,會造成MOS RDS(on)上升;另一個是在SiC的MOS Gate加上偏壓時,會造成Vth偏移。目前這兩個技術挑戰已獲得解決,因而降低SiC的應用難度,普及率也開始提高,像是上述提到電動車中的肖特基二極體、OBC、PFC,或者是壁掛/直立式的電動車充電樁,都已開始導入SiC。 圖1 羅姆半導體台灣設計中心主任工程師蘇建榮指出,SiC普及率開始提升,電動車更是SiC主要應用市場。 擴增產能/攜手VENTURI車隊 羅姆力拓SiC市場版圖 如上提到,汽車產業成為SiC市場攀升的關鍵推手,為此,各半導體廠也開始積極布局。例如羅姆便與FIA Formula E電動方程式賽車的VENTURI車隊合作,提供該公司旗下SiC功率模組,搭載於驅動車輛的核心裝置-變流器中,提升車輛性能。 據悉,羅姆於2017~2018第3季FIA Formula E電動方程式賽事中,已提供了二極體(SiC-SBD)於VENTURI車隊,而從第4季開始,將改為提供整合電晶體和二極體的全SiC功率元件。此一元件與尚未搭載SiC的變流器相比較,體積減少了43%、重量減少了6公斤,讓VENTURI車隊的車輛體積更小,重量更輕。 另一方面,因應SiC需求逐步攀升,該公司也決定在日本福岡縣的筑後工廠增建新廠房,以滿足日漸升高的SiC功率元件生產需求。據悉,該新廠房為地上3層建築,總建築面積約11,000㎡。目前正在進行相關細部設計,預計於2019年動工,並於2020年竣工完成。 科銳SiC MOSFET助陣 電動車傳動效率大增 另一方面,為提升電動汽車動力傳動系統性能,科銳(CREE)旗下公司Wolfspeed近日也宣布推出新款1200V SiC MOSFET系列,可實現高電壓功率轉換,提高電動汽車動力傳動系統效率,讓電動車行駛距離更長,同時能夠降低系統成本,為消費者提供更好的綜合性能。 Wolfspeed總經理Cengiz Balkas表示,該公司開發的SiC產品組合,能實現尺寸更小、重量更輕的系統,進而提高每次充電後的行駛里程,這將有效減少電動汽車和汽油車在成本和性能方面的差距,並使汽車供應商和生產商更容易打造電動汽車生態系統。 據悉,新推出的C3M 1200V SiC MOSFET可承受大電流,能在1200V電壓條件下實現目前較低的漏源電阻RDS(on)及開關損耗,並提供更高的品質因數,使得消費者在單次充電之後,能夠行駛更遠的距離。 科銳首席執行長Gregg Lowe指出,全球對於電動汽車的需求日益成長,幾乎所有汽車生產商都宣布在其產品家族中推出新型電動汽車平台,而該公司透過採用新型技術,例如Wolfspeed新型SiC MOSFET產品組合,加快電動汽車的普及。 搶攻電動車市場 英飛凌SiC肖特基二極體發功 除上述所提的羅姆和科銳之外,另一電源晶片大廠英飛凌(Infineon)也瞄準電動車市場,於近期發布首款車用SiC系列CoolSiC肖特基二極體,可用於目前和未來油電混合車和電動車中的OBC。 英飛凌車用高功率部門副總裁暨總經理Stephan...
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