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節能降耗勢在必行 寬能隙半導體發展加速
發揮高功率能源效率

【作者: 王岫晨】   2022年07月27日 星期三

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電源與能源管理對人類社會未來的永續發展至關重要。由於全球能源需求正在不斷成長,因此必須控制碳排放,並將氣溫上升控制在1.5度以下,減排對此非常重要,但要實現這些要有科技的支援,包括可再生能源的利用。


僅就工業領域來說,如果能將電力利用效率提升1%,就能節省95.6億千瓦時(TWh)的能源。這意味著可以節省下15個核電站的發電量、減排3200萬噸二氧化碳,或者是數以千計的石油。可以看到僅僅是工業領域對電力利用效率的提升,就能夠有如此驚人的節能效果。而在這樣的條件之下,使得寬能隙半導體元件有了更寬廣的發揮空間。


發揮寬能隙元件優勢


圖一 : 功率技術對達到高效應用與節能降耗扮演著關鍵作用,其中的重點就是碳化矽和氮化鎵這兩種新材料,它們具備更好的效能。
圖一 : 功率技術對達到高效應用與節能降耗扮演著關鍵作用,其中的重點就是碳化矽和氮化鎵這兩種新材料,它們具備更好的效能。

意法半導體汽車和離散元件產品部(ADG)執行副總裁暨功率電晶體事業部總經理Edoardo MERLI指出,寬能隙技術已經在半導體市場上得到廣泛應用。碳化矽和氮化鎵兩種材料的特性略有不同。碳化矽主要用於汽車和工業領域的大功率系統設備。在汽車應用領域,中國和亞洲電動汽車蓬勃發展,市場成長速度明顯高於歐美國家,不過,歐美電動汽車產業也在迎頭趕上。這一市場趨勢適合碳化矽和氮化鎵技術應用發展。電動汽車的動力總成、車載充電器等系統,以及充電站都會用到碳化矽元件。而預期汽車和工業大功率電源解決方案將會快速、大規模採用碳化矽。


至於氮化鎵,相較於碳化矽,氮化鎵可能更適合低功率應用,但是氮化鎵的開關頻率更高,因此它可以讓系統級小型化,甚至比碳化矽更好,因此,氮化鎵非常適合很多消費性應用,例如,筆記型電腦的電源和行動裝置的電源轉接器。此外,因為氮化鎵還可以整合控制單元,所以可以用於開闢新的應用領域。氮化鎵還適合工業和汽車應用,特別是充電系統,但是,它必須提升可靠性,目前這項技術的可靠性還不高,畢竟還是一項新技術。還必須改進性能,以達到更高的開關頻率。


Edoardo MERLI說,寬能隙技術已經催生出一系列相關應用,協助達成碳中和的企業目標。而功率技術對達到高效應用與節能降耗也扮演著關鍵作用,其中的重點就是碳化矽和氮化鎵這兩種新材料,它們相較普通矽材料具備更好的效能。寬能隙半導體擁有運作電壓高、開關速度快、運作溫度高、導通電阻低、產生熱量少、耗散功率低、效能更高等優勢,其節能效果非常出色。由於兩種技術各有不同特點,各自的應用情境也有所不同。


提升成本效益與競爭優勢

由於寬能隙材料本身的特性,使得碳化矽和氮化鎵元件在效能和開關性能方面表現出色。至於控制碳化矽可以用常規驅動器,但是其驅動電壓值與傳統矽基電晶體不同,驅動電壓是碳化矽技術的一個重要參數,半導體廠商正致力於研究根據不同的應用情境,來提供不同的驅動電壓值,並開發碳化矽專用驅動器。


如果是常關型氮化鎵HEMT電晶體,控制設計就複雜一點,需要開發氮化鎵專用驅動器。如果是D型氮化鎵電晶體,驅動電路就比較普通。因此,驅動能力與主電晶體是配對的,良好的配對讓應用能夠達到整體效能水準。


至於寬能隙元件的成本問題,以碳化矽為例,可以從產品本身分析碳化矽與同級矽產品的成本差距。首先,事實證明採用碳化矽可以降低或有助於降低系統成本,因為碳化矽可以縮減散熱器尺寸,降低系統重量,達到設計小型化和輕量化。其次,碳化矽製造過程涉及很多技術,包括基材製造技術,還有原材料和生產製造設備等。目前已經看到成本大幅降低的趨勢。因此,透過改善技術,元件的成本將會降低。最後,碳化矽元件可以降低系統成本,用碳化矽替代矽基解決方案,最終應用的成本效益更高,更有競爭優勢。


碳化矽的確是一種新材料,相較矽材料,確實需要比較新的製程,需要更高的溫度,以及其他加工條件。在產出良率和製程方面,碳化矽仍然落後於矽。因此,為了提升品質和產量並降低成本,有很多技術都在開發中。未來,成本和品質可能會大幅改善。如果企業能夠負擔得起,有廠模式確實是一筆巨大的資產,一個很大的優勢,因為這種模式能讓企業控制主要生產參數,即成本、品質和非常重要的產量。


寬能隙元件的車用市場


圖二 : 藉由碳化矽的優勢可解決工業和汽車應用的效能問題(製圖/王岫晨)
圖二 : 藉由碳化矽的優勢可解決工業和汽車應用的效能問題(製圖/王岫晨)

碳化矽應用涵蓋領域包括汽車製造、工業應用等,許多優勢對終端使用者都是顯而易見的。以電動汽車製造為例,碳化矽可用於製造牽引逆變器、充電樁、DC-DC轉換器等配套設備,這些能夠帶來更長的行駛里程、車輛自重的減輕,這些都是使用者在使用過程中可以直觀感受到的。除此之外當然還有性能更強的電動汽車充電站,碳化矽能夠加快充電速度,縮短充電時間,進而促進電動汽車的推廣和普及。


汽車的動力系統發展,從內燃機(ICE)到電動機的轉變是一個不可阻擋的趨勢,許多老牌傳統車商先後宣布了燃油車停產計畫。寬能隙半導體的應用可能會影響並加速汽車電動化進程,因為車商一直在盡力提升汽車的效能,延長續航里程,減少充電間隔。只有寬能隙半導體才能提供這樣的承諾,協助汽車朝向永續出行的方向發展。


碳化矽MOSFET被採用的主要原因是,可以減少功率轉換過程中的電能損耗,具有較低的耗散功率。因為導通損耗和開關損耗較低,使得效能這個關鍵參數可以得到明顯改進。效能的提升可降低石油或煤炭等傳統能源的用量,進而減少環境污染,並擴大太陽能或風能等可再生能源的大規模應用。效能提升還讓電動汽車廠商能夠推出一次充電便可行駛更長距離且充電頻率更低的車型,進而成為人們心目中真正的燃油車替代品。


結語

碳化矽與氮化鎵的應用,主要是功率利用和開關頻率。可以看到碳化矽與氮化鎵導體能夠滿足的需求略有不同,簡單來說就是帶來更強的功率。碳化矽能夠提升開關頻率,而氮化鎵消耗的電能更少。這項技術與現有的矽科技能夠形成互補,不過功能上也有些許重疊,今後將會不斷優化和完善。因此儘管碳化矽與氮化鎵催生了一系列新的應用,但也帶來了一些新的限制,這些都需要繼續加深瞭解並突破。


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