洪茂峰 / 成功大學電機系；洪肇蔚 / 中華電信高雄營運處
永續地球、節能減碳對當今製造各項產品的業界呼籲越來越殷切，而交通工具，如汽車等對大氣的污染與破壞最為嚴重早成眾矢之的，改善汽車的動力模式已是刻不容緩，而減用化石燃料改以電力驅動就成為最佳的解決方案了。電動車(EV)的動力傳動系統(EV Powertrain)可概分為三大類：①電力產生系統：如電池組合；②電力傳送系統：即傳輸系統，含DC/AC Traction Inverter與 DC/DC Converter等；③機械元件：如電動馬達等。其中DC/AC Traction Inverter 係將電池的 DC 轉換為AC後再送給電動馬達，而馬達控制單元就依據此傳輸系統送來的電力，調整DC/AC Converter 以提供適當的電壓與頻率給馬達使用，讓電動車順利產生機械動力。SBD、MOSFET、IGBT等功率電子元件則是電力傳輸組成中最重要的單元，上述的機制也描繪了功率電子元件在EV系統中的重要角色。
以往，功率電子元件都是使用成熟的Si 技術，而其特性表現也堪適任，然近年來EV系統功能日異精進，結合了自駕、IOT等，也將應用領域擴及更龐大、更精密的無人駕駛系統，如無人機、艦等，而居重要角色的功率電子元件也因此被要求須具備更高功率與更高轉換效率的能力。Si 功率元件對此發展窘相畢露，因此亟需改用新材料來增進它的功能。寬能隙材料(WBG)，如SiC、GaN和 Ga2O3等因這個趨勢需求而步入了科技的舞台。在這些WBG新材料的發展中，SiC挾其製程與Si匹配且散熱能力良好的優勢，主宰了目前功率電子的市場，尤其是電動車領域。然研究指出，GaN比之SiC更有如下的優勢：①導通電阻Ron 較 SiC更小，因此傳導損耗會更低；②可操作於更高的頻率，提供更高的功率密度與轉換效率。③於2 kV以上的高功率密度且高速運算的系統時，如資料中心等應用，表現更佳。這些優點使GaN的發展緊追於SiC之後。然而，GaN也有其罩門，就是：其優異的特性係來自2DEG的效應，又有基板應力的困擾，材料與結構的限制使其僅能採側向(Lateral )型結構元件，而難以製作垂直型(Vertical)結構元件，因之也限制了其供應電流的能力。
相較之下，另一競爭者Ga2O3就沒有GaN的這些煩惱，理論評估其材料特性，較SiC或GaN都更優越，且因基板便宜，又容易製作垂直型結構以提供更高的功率密度與更高的轉換效率，因此，Ga2O3被認為將會在新世代的功率電子元件發展中居重要之地。 然而，對電動車製造業者而言，在此群雄併起各領風騷的發展時代，選擇合適的功率電子元件可以提高車體電源系統的效率、降低電力轉換的損失，並可加速充電的速度，同時兼顧製造成本與安全性，應是研發的首務。有鑑於近年來Ga2O3的研發成果逐漸開花結果，揭露其優異的功率特性，顯示其應用潛力頗大，故本文將介紹其發展概況。
電動車用功率電子元件現況
由功率電子系統的動作分析我們可發現它的核心正是功率半導體元件，因為功率元件的功能就像是一個開關，可以阻擋Off-state 的高電壓，放行On-state 的大電流，而且以高頻的速度在On -Off State 間做切換。近數十年來Si基元件主宰了功率電子元件的應用領域，如1990年代的IGBT或是 2000年的超接面電晶體(Superjunction Transistor)，都是利用接面技術(Junction Engineering) 增進Si 元件的功能，得以大領風騷。一般而言，Si元件作為50V以下，低功耗、低電壓範圍的電源一直是游刃有餘，但隨著應用領域的擴展，比如手機充電器、電動車應用到太陽能逆變器，甚至鐵路電氣化系統等，電源需求就跳升到650V，甚至是1,000V以上的電壓，功率級則為20 W到300 kW以上，這種規格是Si元件難以勝任的。但自2010年後，隨著碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)元件出現，彼等因材料特質使其適合高功率和高速開關的應用，而且可提供較矽功率元件更好的效率和散熱管理，使電力電子技術有了突破性的進展，功率元件的發展也因此轉向材料技術( Material Engineering)開枝散葉了。
1. 電動車用SiC元件現況
根據市場分析，目前在汽車功率元件中Si 產品的市占率約為70%，但也發現，從2020年起許多系統中的Si IGBT模組都被SiC MOSFET取代了。究其原因，顯然是非戰之罪，而是因為系統已升級到1,200V以及100kW以上的應用，如電動車及充電基礎設施，甚或是更高功率需求的綠能電網系統等。SiC因能隙值更大、能耐受更強的擊穿電場和更佳的導熱能力，且SiC MOSFET相較於矽元件具有更低的能源轉換損耗、更高的開關頻率和更高的功率密度，更重要的是，其製程與傳統Si相匹配，沒有技術交接的代溝，這種無縫轉移的產業優勢使業界普遍認為SiC應可大量使用於電動車系統中，如牽引逆變器(Traction Inverter)與動力總成(Powertrain)的AC/DC或DC/DC電源轉換器以及驅動馬達，甚或是電網輸電組成中。
市場觀察發現，近年來 SiC功率元件進入電動車主流市場的態勢很明顯，例如 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。