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投入新一代功率元件 滿足高功率電力電子需求

  • 鄭斐文

在功率元件發展趨勢的討論中,最常被談及的話題之一,就是碳化矽(Silicon Carbide;SiC)與氮化鎵(Gallium Nitride;GaN)這些新世代功率元件的市場成長性。

而歸功於應用系統需求帶動、寬禁帶材料半導體技術發展愈臻成熟,以及產品價格下降等因素,市場研究機構預估寬禁帶的SiC與GaN功率半導體市場規模將由目前的2.5億美元,快速成長至2025年的35億美元,10年間的年複合成長率達30%。看準此趨勢,瀚薪科技長期致力於SiC與GaN功率半導體技術與產品的開發生產。

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瀚薪科技總經理李傳英。

隨著電力電子應用朝向高效率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等方向發展,相較於傳統的矽元件,SiC與GaN這些寬禁帶材料功率半導體更能符合新一代電力電子應用的需求。其中,瀚薪科技認為SiC材料具備高耐壓與耐高溫操作特性,非常適合用來設計600V以上的高壓元件;而針對無線充電等MHz水準的高頻應用需求,600V以下的GaN則將有其市場優勢。

寬禁帶SiC與GaN前景佳  瀚薪積極布局

針對高功率電力電子的發展趨勢,瀚薪目前已推出650V與1200V SiC蕭特基二極體與MOSFET產品,以符合電源、光伏逆變與新能源車輛等應用的高效率產品需求。

在SiC蕭特基二極體產品部分,由於SiC材料的高導熱優勢及其優異的反向恢復特性,使SiC蕭特基二極體在高溫應用時,仍具備極佳的Trr/Qrr,同時在高溫操作下的漏電流(Irm)仍能維持在30µA以下,相較傳統Si快恢復二極體產品,更有益於改善導通與切換損失,並有效提高系統整體效率。

在SiC MOSFET產品部分,相較於傳統的Si MOSFET與IGBT產品,SiC MOSFET能夠通過外延厚度的調整,達到耐壓650V、1200V與1700V以上的規格要求。在元件特性上,SiC MOSFET較Si元件擁有優異的低切換損失優勢,單位晶片面積下的導通電阻遠低於Si MOSFET,因此相當適用於光伏與新能源車輛所需的高功率逆變器應用。

成本逐步降低  SiC與GaN漸獲市場接受

不過,SiC與GaN要取代Si功率元件,成本是極大的關鍵,對此,瀚薪指出,由於材料與Si不同,且襯底/外延的生長技術上與Si也有極大差異,致使SiC與GaN功率元件的成本大幅高於Si功率元件,這也是SiC/GaN元件無法全面取代Si元件市場的主因。

不過,近年來隨著襯底/外延材料技術與供應的提升,材料成本已逐年下降,再加上伴元件供應量與應用的成長,SiC功率元件的價格已逐漸為應用客戶所接受。

瀚薪科技進一步說明,SiC蕭特基二極體導入應用量產至今已超過10年,元件在應用的可靠度與經驗已相對成熟,隨著近年的價格大幅下降,應用客戶已逐漸擴大應用設計。至於SiC MOSFET產品推出量產至今大約已有5年,接下來的研發重點則是以高良率、高電流的SiC MOSFET來取代IGBT。

未來,在SiC蕭特基二極體與SiC MOSFET市場應用導入量產後,瀚薪科技將持續擴展大電流規格SiC MOSFET產品的開發,同時針對1700V與3300V SiC功率元件進行技術與產品開發投入。在GaN功率元件分面,則將以600V以下HEMT元件技術為主,切入無線充電等高頻應用市場。