車載寬能隙功率半導體應用之發展趨勢

刊登日期:2016/5/5
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全球車用功率半導體材料已邁進第四波(4.0),如碳化矽、氮化鎵及氧化鎵等新材料的功率元件,可望大幅削減電力轉換器的損失和體積,應用在馬達驅動器、具高功率密度的 DC-DC 轉換器、POL 轉換器、DC-DC 與 AC-DC 轉換器的同步整流器及發光二極體照明,電源供應器與功因修正等方面。

其中氮化鎵更可適用於高頻元件,未來若再整合氧化鎵基材可具有更高的導熱性,並且有機會以滾印方式作為大批量生產方法,來降低無線充電之薄膜線圈模組之生產成本,應用於非路上運行的運輸載具,如工廠無人搬運車等,提供運行中之無線充電而不需停機換電池。國內法人在驗證測試基礎環境方面都已經具備,我國寬能隙功率半導體於運輸載具的應用正起飛中。
 
碳化矽和氮化鎵為兩大車用寬能隙半導體材料
碳化矽和氮化鎵這兩類的寬能隙(WBG)材料可以為下一代功率半導體元件的發展帶來多重優勢。寬能隙元件包括在性能、工作溫度、功率處理效率以及新功能等方面皆有長足的進步,這些都是傳統矽元件所不可能做到的,基於這個原因,寬能隙功率元件被認為是功率半導體元件的未來。各材料的DC品質因子比較如圖一所示。吾人可歸納應用寬能隙材料之功率半導體,由於具備以下的多項特性,因此特別適於車輛電子化應用,如:①高崩潰電壓;②低導通電阻和③快速切換速度。而組成寬能隙功率半導體模組之後,所顯現出整體車輛電子化系統的優點,主要可歸納成如下兩項。
 
除了馬達和電能轉換外高頻元件亦為寬能隙材料之潛力應用
隨著全球新興的 5G 通訊相關之毫米波(mmWave)技術不斷發展,汽車電子元器件對於更高頻寬的需求也正不斷成長中。各式高頻應用,例如,車上搭載更小系統體積之雷達收發元件、低功耗並增加效率之功率放大器元件(P.A.)、可調諧微波通訊元件、表面聲波或體聲波(SAW/BAW)濾波元件等。目前轉型中的智慧汽車電子元器件之半導體可歸納為兩大市場,包括 ① 法規強制安全系統的半導體需求和 ② 半自駕和全自駕車的車用半導體需求。而車用雷達就是其中的一種重要解決方案組成之一。但是該解決方案的系統有下述技術要求 ① 更多的雷達節點(前方、側方和後方);② 更高層次的整合度(車載 MCU 和 DSP、FPGA 等整合)。



圖三、寬能隙GaN應用於高頻功率模組範例
 
氧化鎵等新興寬能隙材料亦可望應用於高頻薄膜線圈等之印刷製程
其他新興之寬能隙材料如氧化鎵材料,與下世代寬能隙功率半導體材料如碳化矽及氮化鎵等材料相比,氧化鎵可以更低成本製造高耐壓、低損耗的功率半導體元件。日本已有一家新創企業 Novel Crystal Technology 研究氧化鎵磊晶,其總部位於日本埼玉縣狹山市,該新創企業已經開始供應氧化鎵磊晶圓,其技術是從日本資訊通信研究機構(NICT)與日本東京農工大學共同開發的氧化鎵磊晶圓技術成果所轉移出來,目前已經開始量產氧化鎵磊晶圓給下游廠商,而該公司主要人員則是從田村製作所分離出來的。Novel Crystal Technology 公司核心技術是使用……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖六、無線充電之廣泛應用

作者:林宏宇 / 工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」353期,更多資料請見下方附檔。


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