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羅姆第四代SiC MOSFET有利車載逆變器普及

羅姆技術中心資深工程師談SiC在電動車導入優勢。

目前普及應用的矽半導體已達到物理極限,若要將矽基功率元件(如Si-MOSFET等)在高耐壓、耐高溫、降低單位面積阻抗等參數作大幅改善,則不太可能,因此需要採用寬能隙半導體材料如SiC(碳化矽)及GaN來替代。

以下為羅姆技術中心資深工程師蘇建榮談到SiC特性、與GaN差異、以及SiC在電動車導入優勢等。事實上矽半導體發展及應用相當久,然為何需導入寬能帶隙SiC半導體,主因是能達到節能及小型化等優勢,而羅姆是眾廠商中於2010年第一個量產SiC SBD/MOSFET的業者。若細看SiC MOSFT特性,包含耐高壓(大於600V)、承載大電流、散熱佳、飽和電子遷移速度快,使得開關切換速度快、適合在大功率場合應用,又因其屬高耐壓元件,所以尺寸可做到小型化;上述種種優勢,使得講求大電力及節能特性的電動車、充電站、UPS、電源供應器等逐步導入SiC功率元件。

然目前SiC功率元件價格與矽基元件相較,價格仍然偏高,主要原因是SiC長晶速度慢,舉例來說,矽晶棒高度可達1~2公尺,然SiC晶體高度僅2~3英吋(長晶速度約為矽的1/10);另,SiC需要在高溫(SiC 2,000°C、矽為1,500°C)、高壓環境長晶;再者,目前量產的SiC晶圓尺寸多在4~6吋,然矽晶圓己達12吋。上述原因,使得SiC元件成本高,普及度尚偏低,然在應用端上,則著重在SiC功率元件所產生的延伸效益,例如能耗損失少(包括導通損耗及開關損耗)、被動元件使用數降低、散熱系統得以簡化、減少電費及電池容量等,因此從系統面來看,仍有利於總成本的降低。

另一個大家常談到的寬能隙GaN HEMT功率元件,在小型化、開關頻率快的優勢最為明顯,然也因成本的考量下,GaN元件大多使用矽基板,並只能作成水平架構,也就是電流只能行經在狹窄的二次元電子雲通道(2DEG),因此電流小、耐壓低,一般多應用在600V以下消費性電子產品;例如搭載Type-C規格筆記型電腦已使用GaN功率元件,其電源供應器體積明顯小許多,且價格為消費者可接受範圍。

若單單談在電動車應用,SiC較GaN展現出較大優勢,原因是電動車屬高壓、大電流的應用場景,故鮮少看到GaN功率元件導入電動車上;另,GaN功率元件雖具高頻化優勢,可達元件及系統小型化目的,然SiC亦可達相當功能,且相對於消費性產品而言,因車體本身噸位大、空間是足夠,故不會太計較些微重量的差異。

目前SiC功率元件在電動車發展情形,可看到SiC導入動力系統中的逆變器時程比預期快,其中,Tesla Model 3長程版的車款,其逆變器由24個SiC MOSFET所構成,其續航力較其他同級車款具更長的表現,達560公里;羅姆也有開發全SiC逆變器模組,體積較矽基IGBT逆變器減少43%、重量減少6公斤。羅姆認為,未來SiC在逆變器應用會愈來愈普及。

因電動車動力系統輸出功率相當高,所以馬達產生的熱亦非常高,因矽基IGBT逆變器無法耐高溫,加上模組體積大,故逆變器與馬達需要分開設置,中間輔以控制線連接;倘若逆變器採用SiC元件,因SiC耐高溫、不怕燙、體積小,故可與馬達包在一起,構成機電一體化的形式。

在冷卻系統設計方面,以插電式混合動力車(PHEV)為例,因矽基功率元件受限操作溫度限制,因此該逆變器模組無法與引擎冷卻系統共用(其冷卻系統溫度為110°C),需另設一個專用的低溫冷卻系統(65°C)供矽基逆變器使用;倘若改成SiC功率元件,因其可在200°C以上高溫操作,故可與引擎冷卻系統共用,甚至只要使用空冷方式即可達到散熱效果。

除車用逆變器外,SiC功率元件導入OBC(車載充電器)也已有實績,目前觀察中國及歐系車廠導入速度較快,為了縮短充電時間,OBC功率規格從過去的3.3kW、提升至22kW。為因應上述趨勢變化,羅姆於2020年推出第四代SiC MOSFET功率元件,與2015年第三代產品相較,單位面積的導通損耗降低約40%,且開關損耗減少50%,再者,應用產品體積可再度縮小;而羅姆第四代SiC MOSFET產品推出,主要目的為加速未來車載動力逆變器的普及。

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