蔡宜君/工研院產科國際所
功率元件在電動車驅動上扮演舉足輕重的腳色，其應用在電動車內包含控制馬達的逆變器(Inverter)、升/降壓轉換器(DC/DC Converter)及車載充電器(On Board Charger)，而車外則為交流及直流充電樁(Electric Vehicle Supply Equipment; EVSE)。本文將由2019-2020年車廠及領導商動向，觀察電動車功率零組件未來發展趨勢，包含碳化矽功率元件大量導入電動車系統的量產時程及電動車往800V高電壓系統發展兩個主要方向。
一、碳化矽功率元件終端應用大量導入時程可期
（一）歐美廠商陸續宣布碳化矽功率元件產品量產時程
碳化矽(Silicon Carbide; SiC)元件相較於矽基元件的優勢，近年來已在業界獲得普遍認可。早自2015年Toyota與Denso合作，將碳化矽導入Camry原型車測試，此後陸續可看到晶片供應商，如Infineon、STMicroelectronics、Rohm、Cree等釋出碳化矽晶片量產訊息，並發表技術文件，指出採用碳化矽元件較矽基元件為佳的應用系統效能，包含其開關快速、損耗低、耐壓性高及熱傳導特性優異，可減少模組散熱、冷卻相關組件使用，從而減少重量、體積，並得以有較高的輸出功率及能量密度等。接續可看到一階供應商或車廠釋出量產碳化矽應用系統的消息，如Toyota於2020年、Mitsubishi將於2021年採用碳化矽逆變器等；2017年Tesla和STMicroelectronics首度採用SiC MOSFET於Model 3逆變器，爾後尚未看到有其他車廠跟進應用。
然而，從2018年底開始至今可觀察到，包含車廠，如VW；一階及功率晶片供應商，如Bosch、ABB、BorgWarner(Delphi)、ZF、Infineon、STMicroelectronics等汽車零組件領導供應商，透過簽訂長期供應合約或直接收購上游廠商等合作、結盟關係，來確保碳化矽晶圓/磊晶未來供貨無虞(圖一)。同時，一、二階模組及系統供應商與車廠端，如Renault-Nissan-Mitsubishi、BYD、UAES、Vitesco(Continental)、BorgWarner(Delphi)、ZF等，釋出將碳化矽功率元件用於電動車輛端車載充電器、馬達逆變器的量產時程(圖二)，預期2021-2022年會看到碳化矽應用系統大量釋出。
圖一、國際大廠碳化矽供應鏈結盟與合作
由於採用碳化矽可減少模組中其他周邊被動元件、散熱元件的需求，進而縮小逆變器、車載充電器及DC/DC升/降壓轉換器的系統體積，並有高功率密度及輸出效率等優勢，使其與矽基功率元件的成本差異，有望從系統層級或是從減少電動車輛的能耗、降低電池容量需求而彌平。因導入後的效能提升、整體成本的降低，對其他觀望的車廠及系統供應商將形成壓力，有助於加速推進碳化矽功率元件的導入。
因應寬能隙功率元件在電動車輛的應用需求前景，主要的碳化矽晶圓供應商近年積極擴產，包含昭和電工、Cree等，尤其是Cree於2019年5月宣布要投入10億美元擴大碳化矽晶圓製造及碳化矽材料產能至2024年將達現有的30倍，利於降低碳化矽功率元件的價格，加速終端應用的導入，包含Infineon、STMicroelectronics、ABB、BorgWarner(Delphi)、ZF、GM、VW等，都與Cree簽訂長期供應合約或是技術合作開發。
（二）中國廠商啟動碳化矽產品應用
除了歐美車廠及供應商看好碳化矽功率元件的應用前景積極布局外，中國的新能源車市場因政府大力補貼，迅速推升成長至全球最大的電動車市場，然中國在功率元件上極度仰賴歐美供應鏈，中國政府欲拓展第三代半導體產業的寬能隙功率元件碳化矽及氮化鎵(Gallium Nitride; GaN)的上中下游技術與供應，在2018年展開的國家重點計畫在新能源車部分如表一，包含碳化矽在逆變器及快速充電站的應用---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。