台達電子與羅姆在電源領域合作的真正目的 利用SiC／GaN功率半導體實現減碳和數位化
- 黎思慧／台北
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現代社會有兩大趨勢。它們是減碳（GX）和數位化（DX）。為了同時推動這些趨勢，電源技術和功率半導體技術的演進和融合至關重要。秉持此一目標，全球最大的電源製造商台灣台達電子，與專注於功率半導體的羅姆結成合作關係。電源技術和功率半導體技術的未來會是如何？台達電子副董事長柯子興先生和羅姆CTO立石哲夫先生接受訪問內容如下：
現今電源和功率半導體比過去任何時候都吸引了更多的關注。是什麼原因？
柯副董事長（以下稱為 柯）：目前新技術和新應用不斷出現。特別是AI（人工智慧）的快速普及產生了重大影響，為了提高AI伺服器的效能，GPU的功耗正在快速增加。另一方面，要實現減碳，就必須降低AI伺服器的耗電量。我們該如何對應這些相互衝突的要求？
我們在2023年10月於美國加州聖荷西所舉行的2023 OCP Global Summit，提出了針對這項挑戰的答案。台達將原本輸出為3kW的模組（module）輸出功率提高到5.5kW，效率提高到97.5%。真正滿足GPU新技術和AI新應用對電源的要求。
當然，GPU和AI伺服器的需求將繼續變得更加複雜。為了對應這一趨勢，需要電源技術和功率半導體技術的進一步的進展。這需要電源製造商和功率半導體製造商之間的合作。特別重要的是「第三代功率半導體」。第三代功率半導體有二種類型，一種是目前廣泛使用的SiC（碳化矽）功率半導體，另一種是即將普及的GaN（氮化鎵）功率半導體。隨著這些技術的發展和普及，它們將能夠有效提高電源性能，同時減少功率損耗。我們相信可以為實現減碳和數位化做出貢獻。
另外關於功率半導體呢？
立石CTO（以下稱為 立石）：碳中和可能是功率半導體吸引如此多關注的原因。目前石化能源是主流，但必須緊急轉型為新能源。主要選項包含了太陽能發電和風力發電，但兩者都需要進行電力轉換，讓產生的電力可供家庭、工廠、辦公室等使用。這正是電源和功率半導體的作用。
此外，隨著汽車的電氣化程度不斷提高，其中不可或缺的功率半導體重要性也日益增加。尤其是第三代功率半導體受到了極高的關注。因為它能夠帶來重大的技術變革。使用SiC／GaN功率半導體可將電源效率提高約5%。5%對於一般消費者來說可能很小，但從業界人士的角度來看，這無疑是一次革命性的演變。
尋找下一個應用市場是普及SiC功率半導體的關鍵
請您介紹一下第三代功率半導體之一的SiC功率半導體目前開發現況及未來展望。
柯：SiC功率MOSFET比Si功率MOSFET具有更高的擊穿電壓，並且可以在比IGBT更高的頻率下工作。此外它還具有優異的高溫性能。因此SiC功率MOSFET在電動車（EV）應用中取得了相當的成果。
然而，為了在電動車領域邁出下一步，我們必須要找到能夠徹底利用SiC功率MOSFET優勢的應用市場。電動車的優勢在於體積更小、重量更輕，這對一般消費者來說很容易理解。下一個應用趨勢還需要為消費者提供足夠的價值來加以實現。目前正在考慮的包括電動車充電站和再生能源的大型電力儲存設備。這是因為它處理大量的電力並且需要大容量的電源。
立石：目前我們正在努力擴大SiC功率MOSFET的生產，並計劃在2030年將產能比2021年增加35倍。當然，其他公司也在增加產能，但仍無法滿足電動車的需求。未來5年，幾乎所有生產的SiC功率MOSFET將僅運用於牽引逆變器等電動車相關應用。
然而，我不知道10年後會發生什麼事。到那時，我們需要開發新的應用市場。我對EV下一個應用市場的想法與副董事長相同。問題是採用它是否有任何優點。
在價格和技術面留下的課題
有人指出，SiC功率MOSFET的價格仍然較高，這會成為阻礙其廣泛運用的因素嗎？
柯：重要的是SiC功率MOSFET的價格不是單純的太高或太低，而是從一般消費者的角度來看其附加價值是否值得額外花費。例如，使用在電動車上，即使支付額外費用，車身也會更輕，行駛距離也會更長。如果是這樣的話，相信一般消費者都會接受。
使用SiC功率MOSFET將使一個重量50kg的設備減輕至30kg，並縮小尺寸。如果是家用的話，可能會有附加價值。然而，工業和FA應用往往安裝在比較大的空間，對小型化的需求並不大。換句話說，小型化不會增加價值。SiC功率MOSFET的普及不能只單從成本來看，也需要從應用市場的角度來做評估。
目前 SiC 功率 MOSFET 還存在哪些技術問題？
立石：仍然存在許多技術問題。例如，SiC功率MOSFET具有優異的高頻特性。這是一個優點，但也導致運用起來很困難。牽引逆變器由六個開關組成，但每個開關並非僅使用一個SiC功率 MOSFET來運作，需要將多個元件並聯連接。如果發生這種情況，除非模組化，否則它將變得非常難以運用。這是因為相互干擾而容易引起振盪。
要防止振盪就需要高度複雜的電路佈局設計，這是極為困難的。因此，我們建立了一個支援系統。我們在德國設有「電源實驗室」，在日本設有「SSE（System Solutions Engineering）總部」來支援客戶的設計工作。
沒有可在MHz下使用的磁性零件
接下來請您介紹GaN功率半導體的普及現況及未來展望。
柯：GaN HEMT 在電源產業引起了廣泛關注，但過去5年的發展並未達到預期。不得不說，我很失望，尤其是在需求發展和技術演進方面。
原因是我們無法找到能夠充分利用GaN HEMT特性的應用市場。GaN HEMT的優點是可以在高頻下工作。它還可以在高達3MHz或更高的頻率下工行，而不是數百kHz。目前還不存在以如此高的頻率工作的電源供應器（小型DC-DC轉換器除外）。
立石：為什麼電源正在向更高頻率發展？這是因為電源中最大的元件是被動元件，也就是電容和電感（線圈）。透過增加頻率，這兩個可以變得更小。
柯：但目前高頻率有二個課題待解決。一是沒有適合1M至3MHz運作的電源控制器IC。然而，對於半導體製造商來說，克服這項挑戰是相對容易的。另一個問題與電感和線圈等磁性元件有關。現實情況是，適合高頻工作的磁性元件尚未投入實際運用，解決方案目前看起來也暫時無法實現。
立石：正如副董事長所說，目前的電感和電容的高頻特性尚有待解決的課題，當頻率超過1MHz時，它們的表現就不再理想。由於這種背景，目前很難在MHz頻段來運作GaN HEMT，但它們仍有被運用。換句話說，GaN HEMT的性能仍無法充分發揮。
然而，透過提高耐壓，可以在不提高太多頻率的情況下發揮GaN HEMT的實力。因此，AC適配器開始採用650V耐壓產品，並且逐漸被廣泛使用。
關於GaN HEMT 的下一個應用市場，有具體進展的是哪些？
柯：電動車的車載充電器和伺服器電源的可能性較高。例如，GaN HEMT可用來縮小伺服器電源的尺寸，減少它們在資料中心所佔用的空間。無論如何，為了運用在這些應用中，必須要儘快解決電源控制IC和磁性元件的課題。
立石：隨著頻率的增加，安裝GaN HEMT的電路板的寄生電感會產生干擾，導致其無法正常運作。因為GaN HEMT可以說是很「不守規矩」的。如果按照與Si功率MOSFET相同的方式進行設計，就會出現各種問題。因此，我們計劃以SiP（System in Package）的形式，把GaN HEMT和一個驅動器IC放入同一個封裝中。這樣運用起來會比較方便。
柯：除了高頻之外，GaN HEMT的一個重要關鍵字是封裝。如果使用Discrete形式的 GaN HEMT進行設計，將會遇到驅動和雜訊等問題。因此，電源設計人員無法處理高頻驅動，最終只能使用較低頻率。這就無法充分發揮GaN HEMT的特性。GaN HEMT 應透過SiP的形式來提供。
透過具有相似公司文化的協力合作，共同邁向下一步
台達電子與羅姆於2022年4月起建立了合作關係。它的主要目的是什麼？
柯：我個人非常尊重羅姆這家公司。這是因為二家公司的文化和使命非常相似，工程師的精神也很相似，而且都建立了以技術為本的產品開發系統。此次合作關係與GaN HEMT有密切相關。GaN HEMT尚未找到殺手級應用，但它正在穩步發展。我們已經將使用GaN HEMT的交流電適配器商業化，品牌名稱為「Innergie」，有45W和67W的產品可供選擇。下一步是將其應用於3kW輸出的伺服器電源，未來我們希望能將其整合到車載充電器中。
然而，高頻率的課題仍然存在，我們想與羅姆一起解決這個問題。透過共同開發利用封裝技術的SiP，我們一定會找到能夠利用GaN HEMT優勢的應用市場。
立石：找到適合的GaN HEMT殺手級應用非常重要。如果應用現有的技術，可以獲得很高的附加價值。我想找到這樣一個應用市場，並從行銷的角度來看待它。
另一方面，我們也需要從技術角度來支援找出那些殺手級應用。GaN HEMT的設計和開發是與羅姆投資的台達電子合資子公司：台灣Ancora Semiconductor所共同進行的。電路設計方面，我們擁有內部開發電源控制器IC的系統。然而我們無法獨自優化包括變壓器在內的整個電力系統。這是因為電源系統具有多種電路拓撲和控制架構。作為電源控制器IC的開發商，我們是否能夠滿足電源設計者創造出這種電源規格的期望？可能彼此間存在著差距。電源控制器IC無法完全支援電源設計人員想要嘗試做到的事情。
在與台達電子的合作中，我們希望從電源系統層面進行後續開發工作。如果您可以定義電源系統，我們就擁有可將其轉換為IC的技術。然後，利用SiP縮小產品尺寸並及時推到市場中。這樣就可以有效找出那些殺手級應用。
