功率半導體元件的主流爭霸戰

圖一 : 小米生產的GaN 65W快充充電器。(source:小米)
圖一 : 小米生產的GaN 65W快充充電器。(source:小米)

【作者: 季平】

功率半導體元件與電源、電力控制應用有關,特點是功率大、速度快,有助提高能源轉換效率,多年來,功率半導體以矽(Si)為基礎的晶片設計架構成為主流,碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等第三類半導體材料出現,讓功率半導體元件的應用更為多元,效率更高。

MOSFET與IGBT雙主流各有痛點

高功率元件應用研發聯盟秘書長林若蓁博士(現職為台灣經濟研究院研究一所副所長)指出,功率半導體元件是電源及電力控制應用的核心,具有降低導通電阻、提升電力轉換效率等功用,其中又以MOSFET(金屬氧化半導體場效電晶體)與IGBT(絕緣閘雙極電晶體)的應用範圍最為重要,兩者各有優勢及不足。

MOSFET扮演電源電子控制的角色,依導電特性與通道差異,又可分為NMOS(N-type MOS)、PMOS(P-type MOS)、CMOS(Complementary MOS),在大功率半導體領域中,各種結構的MOSFET發揮不同作用。IGBT元件為複合式構造,輸入端為MOSFET構造,輸出端為BIPOLAR構造,具備低飽和電壓、快速切換等特性,但切換速度遜於MOSFET。

傳統以矽(Si)材料為基底的IGBT主要特性為耐高壓、高電流,多應用於大功率、大電流的電力設備或電力基礎設施,如鐵路電網、風力發電機等,缺點是比較無法縮裝;MOSFET的特性為驅動電流小,多應用於變頻導向的3C設備或消費性3C產品,如手機充電器、小家電產品的變壓器等,缺點是無法承受過大的電壓、電流。

在技術發展及應用上,MOSFET與IGBT各有痛點待克服。矽(Si)材料因物理性能限制,在高電壓時,耐受性差、轉換效率不佳,而且有散熱問題,無法完全應付推陳出新的電子電力產品需求,加上全球暖化日益嚴重,各國能源政策積極朝淨零碳排(Net Zero)目標前進,大家關注的重點是如何「更節能、更省能」,此外,因應時代需求,人們追求短、小、輕、薄及好攜帶,如何讓產品縮裝也是一大課題。

第三類化合物半導體提供更多選擇

第三類化合物半導體-碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)兩種材料興起,有助解決傳統矽基元件遭遇的困境。第三類化合物半導體具備耐高溫、耐大電壓、快速作動等特性,可以廣泛應用於高功率、高頻和高溫電子電力系統,如電動車及電動車充電設備、大型風力發電機、太陽能板逆變器、資料中心、手機快充、太空衛星、行動基地台等領域。

碳化矽(SiC)最大的優勢在於高溫與高崩潰電壓耐受力;氮化鎵(GaN)的穩定性高,熔點高達1700度,除了穩定性、耐高溫、耐高壓等優勢,同時擁有良好的導電性與導熱性,多應用於變壓器和充電器等領域,如需要較大電壓的筆電、平板,以及需要較小電壓的手機和手錶充電產品,能有效縮短充電時間。氮化鎵(GaN)元件的切換速度是矽基元件的10倍以上,相較於Si,更適合高頻率、高效率的電子產品,包含5G產品。

隨著2050年淨零碳排(Net Zero)目標逼近,各國在交通政策與產業推動上都朝燃油車電氣化的方向邁進,帶動整體電動車產業。碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)能同時應用於汽車產業,尤其碳化矽(SiC)在車載領域及可靠性上更具優勢,在電動車的系統應用方面主要包含逆變器、車載充電器(OBC)及直流變壓器等。相較於傳統矽基模組效能,碳化矽(SiC)可減少約50%的電能轉換損耗,降低約20%的電源轉換系統成本,提升電動車約4%的續航力。

龍頭大廠帶動第三代半導體產能

電動車的充電設備及充電基礎設施都需要更高效能的元件。林若蓁指出,碳化矽(SiC)元件市場主要由汽車產業主導,比方特斯拉(Tesla)電動車款Model 3率先應用意法半導體生產的SiC MOSFET,帶動多家電動車廠商導入SiC材料。Model 3驅動逆變器(Traction Inverter)部分捨棄傳統絕緣柵雙極電晶體(IGBT),率先引入碳化矽(SiC)金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET),開啟全球第三類半導體擴產潮。至於氮化鎵(GaN)功率元件市場則由消費性產品(如手機快充)、電信/通訊(如資料中心、太空衛星通訊)及汽車產業(如電動車內較小電壓的DC-DC converter)所帶動。

Yole Developpement研究機構報告指出,2020-2026年採用碳化矽(SiC)作為功率半導體材料的市場規模成長至45億美元,氮化鎵(GaN)功率半導體市場規模達11億美元。預估2027年碳化矽(SiC)功率元件市場規模可達63億美元,氮化鎵(GaN)功率元件市場可達20億美元;2021-2027年,整體氮化鎵(GaN)功率元件市場的複合年成長率(CAGR)為59%,碳化矽(SiC)功率元件市場的複合年成長率(CAGR)為34%。除了消費性電源大量採用氮化鎵(GaN)功率元件,氮化鎵(GaN)功率元件導入資料中心、電信設備電源的速度也愈來愈快。

圖二 : 碳化矽功率半導體材料的市場規模預估。(source: Yole Developpemen)
圖二 : 碳化矽功率半導體材料的市場規模預估。(source: Yole Developpemen)

圖三 : 氮化鎵功率半導體材料的市場規模預估。(source: Yole Developpemen)
圖三 : 氮化鎵功率半導體材料的市場規模預估。(source: Yole Developpemen)

知名業者如氮化鎵(Gan)功率IC龍頭納微半導體(Navitas)、美商Transphorm積極與半導體代工廠結盟,搶占市場,至於碳化矽(SiC)以IDM為主,重量級業者包含英飛凌(Infineon)、意法半導體(STMicroelectronics)、羅姆半導體(Rohm)等,其中,意法半導體同時跨足碳化矽(SiC)、氮化鎵(Gan)領域;英飛凌、安森美半導體(onsemi)則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術。

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱CTIMES雜誌2022 年8 月號第 369期】

2022.8月(第369期)高功率電源
2022.8月(第369期)高功率電源

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