WBG半導體的擊穿電壓高十倍，受熱能啟動的程度也更低。對於需要出色的高功率、高溫和高頻率性能的電動車和逆變器製造商來說，SiC半導體代表著令人興奮的前景。 日益加劇的氣候異常和極地冰蓋的不斷縮小，清楚地證明了氣候變化影響的日益加劇。但有一個不幸的事實是，汽車產業若要擺脫化石燃料極其困難，向綠色技術的轉變也帶來了一系列技術挑戰。無論是綠色能源的產量要跟上快速擴張的市場步伐，還是新解決方案努力達到現有系統產出水準，都是讓能源產業完全擺脫化石燃料的過程中，必須克服的難題。 對於電動車(EV)和太陽能電池板等應用，工程師面臨著更多的挑戰，因為敏感的電子元件必須在惡劣的環境中持續可靠地運行。為了進一步推動汽車的永續解決方案，需要在元件層面進行創新，以提高整個系統的效率，同時提供更強的穩健性。碳化矽(SiC)半導體作為一種能夠實現這些必要進步的技術，正迅速成為人們關注的焦點。 碳化矽提高能源效率 SiC作為第三代半導體技術的一部分，解決方案具有寬能隙(WBG)特性，並提供了更高水準的性能。與前幾代半導體相比，價帶頂部和導帶底部之間更大的能隙增加了半導體從絕緣到導電所需的能量。相比之下，第一代和第二代半導體轉換所需的能量值在0.6~1.5...

WBG半導體的擊穿電壓高十倍，受熱能啟動的程度也更低。對於需要出色的高功率、高溫和高頻率性能的電動車和逆變器製造商來說，SiC半導體代表著令人興奮的前景。 SiC發電效能亮眼 (承前文)除電動車外，新一代碳化矽半導體的性能優勢還將擴及更多不斷成長的產業。根據《2022~2026年全球太陽能集中式逆變器市場報告》，可再生能源市場正在迅速擴張。因此依賴於半導體技術的太陽能/風能發電場逆變器，及分布式儲能解決方案(ESS)預計將迎來復合年成長率(CAGR)，分別為13%和17%的快速成長。 與電動車產業中提高車輛電壓類似，SiC技術也使太陽能發電場能夠提高組串電壓。現有裝置的工作電壓通常在1,000~1,100...

為了避免讓電動車成為破壞電網穩定的元凶，甚至反過來讓電動車成為電網的安定因子，基於寬能隙元件技術的雙向OBC，將是未來的發展趨勢。 在汽車產業，從底盤到動力傳動、資訊娛樂、連線功能和駕駛輔助系統，車輛設計的幾乎所有方面都在快速發展和創新。純電動車(BEV)若要快速且廣泛地普及，就必須解決充電時間對駕駛人造成的擔憂和壓力，尤其是在長途公路的旅途中。毫無疑問，車載充電器(OBC)設計比大多數領域受到更嚴格的檢視。 在實現更高功率密度和更高效率的OBC過程中，設計人員正在從目前的矽(Si)基解決方案轉向寬能隙(WBG)功率半導體技術，例如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)。相較於矽基裝置的傳統拓撲，一旦充分瞭解WBG裝置更出色的品質因數(FoM)，設計人員就能憑藉創新概念開發更高切換頻率的新拓撲，並採用以往無法或難以實作的調變方案。此外，有效的熱設計(即採用新散熱概念的創新封裝)，將為未來OBC設計的功率密度和效率開創全新境界。 本文將探討OBC設計的趨勢，比較不同半導體技術的FOM，並介紹了新的表面黏著裝置(SMD)封裝。全方位的解決方案帶來不同拓撲的創新、更高的效率和功率密度，並實現了雙向架構，將電動汽車(EV)整合至智慧電網中。 OBC功能要求更多樣　設計複雜化趨勢難擋 OBC的用途是將電網的交流電轉換為直流電壓，以便為動力電池充電。車輛必須處於停止狀態，OBC才能執行這項工作；若車輛在移動中，必須靠DC/DC來驅動車輛。這個概念勢必會增加車輛載重，還會提高散熱負荷。有鑑於此，OBC加上DC/DC的尺寸和重量必須最小化，以減少對行駛里程及在電力傳動系統占用車內空間的影響，同時仍可支援快速、高效率的充電。 同樣，未來電網法規朝智慧電網發展，當停電和天災發生時，汽車電池有可能扮演緊急電源的角色。這些趨勢都會對OBC設計造成影響，因為這類裝置必須支援雙向電力流動。 在瞭解OBC設計人員的五項關鍵挑戰時，必須掌握這些層面密不可分的關聯性： ‧功率等級不斷提高，以加快充電速度 目前的插電式混合動力車和純電動車(BEV)的OBC功率等級範圍為3.6~7.2kW。ODM現階段的OBC設計在未來3至5年內，會將下一代電動汽車的功率等級提升至7.2~11kW。對於配備800V電池的豪華或高檔車款，OBC的設計功率可達到22kW。 ‧功率密度增加 功率密度增加意味著尺寸和重量減少，有助於延長電動汽車的行駛里程。提高效率不僅可以減少OBC內的熱量積聚(減少熱管理，進而縮小尺寸並提高功率密度)，且還允許從有限的電網源輸送更多電力為動力電池充電，進而縮短有效充電時間。 ‧效率提高 這點與前兩項趨勢密切相關。如果沒有較高效率的功率轉換器，就不可能以較高功率密度實現更高的功率等級。同樣，可能會實施額外法規來管理OBC轉換器的效率目標，例如油箱到車輪的效率。 ‧雙向操作 雙向操作對OBC設計人員構成另一項重大挑戰。隨著電動車越來越普遍，電網的壓力將顯著增加，特別是消費者在每天通勤後的夜間為車輛充電時。電力供應商認識到，電動車中儲存了大量可能並非立即需要的電力。這些電力可以返回電網，或在高峰時段為個別房屋供電，以壓低尖峰時段的電力需求。然而，要做到這一點，OBC需要能夠將電力從動力電池傳回電網，而不僅是為電動汽車充電。 ‧電池電壓持續升高 雖然400V電池至少在未來5年仍會是主流，但800V電池已逐漸獲得青睞，主要誘因是這類電池在充電和為動力馬達供電時，可減少電纜中的電流與相關I2R損耗。 圖1概述OBC設計的最重要趨勢和相應影響，並分別列出關鍵的解決方案推動因素。 圖1　OBC設計趨勢為電源設計人員帶來多項挑戰 為應對這些挑戰，所選擇的拓撲以及所使用的技術都非常重要，尤其是對於切換元件而言。在大多數情況下，WBG解決方案能為提供所需的效能優勢帶來重大貢獻。 Si、SiC和GaN之間的品質因數和技術差異 在分析OBC應用適合的WBG裝置時，第一步是比較每種技術的不同品質因數。這些比較結果已彙整於圖2。 圖2　英飛凌旗下各種技術的FoM比較   每項品質因數都有不同的含義，並以量化方式表示在不同拓撲中產生的影響。值得注意的是，FoM值(包括RDS(on)溫度係數)愈低，該技術就愈適合導入應用中。要選擇正確的技術，不能只評估單一FoM，而是必須考量一系列FoM的組合。 例如，RDS(on)×Qrr+RDS(on)×Eoss+RDS(on)的溫度係數組合顯示，SiC或GaN是硬切換應用(例如CCM圖騰柱PFC)的最佳選擇，其中以前者的性價比最佳。另一方面，RDS(on)×Qoss+RDS(on)*Qg+VF與RDS(on)的溫度係數組合顯示，GaN是最適合軟切換應用的技術，這類應用需在極高的切換頻率(>...

為了避免讓電動車成為破壞電網穩定的元凶，甚至反過來讓電動車成為電網的安定因子，基於寬能隙元件技術的雙向OBC，將是未來的發展趨勢。 創新封裝和散熱方法實現全新散熱設計 然而，在認識WBG技術所帶來優勢的同時，設計人員也必須意識到，散熱效能的改善，是實現這些重要目標的關鍵所在。 在現有SMD設計中，熱傳導路徑是向下通過元件支腳進入PCB，而PCB則是黏合在散熱器上。在具有挑戰性的應用中，功率元件可以安裝在絕緣金屬基板(IMS)上，以提高熱效能，因為這是比標準FR4材料更好的熱導體。然而，熱能具有上升的自然傾向，這使得底部散熱(BSC)設計顯得有些違反直覺。 透過創新封裝，業界發展出頂層冷卻(TSC)的獨立式半導體和功率IC(圖3)。此概念不僅利用熱量向上流動的自然原理，也提供許多額外優勢，皆有利於OBC設計和其他類似應用。 圖3　TSC允許雙面元件放置，使功率密度加倍   在底層冷卻中，通常將水冷板/散熱器連接至PCB/IMS底部以冷卻。這排除了將元件放置在一側的可能性，可降低兩倍的功率密度。此外，半導體裝置熱接合至PCB，亦即兩者將在相同的溫度下運作。由於FR4的Tg低於許多WBG裝置的操作溫度，因此無法充分發揮潛力。 透過將水冷板接合至功率元件的頂端，可輕易解決這些問題，使元件得以放置在兩側，並且WBG裝置能夠在整個操作溫度範圍內使用。 由於IMS通常需要為驅動器和被動元件使用單獨的FR4...

寬能隙元件能為電源、逆變器等功率應用帶來極大的效益，但在設計導入方面也有相當的門檻存在。因此，如何降低設計導入的門檻，成為供應商必須面對的課題。 寬能隙(WBG)元件能讓電源、逆變器等設備的功率密度大...

寬能隙元件(WBG)直到最近幾年才開始被廣泛運用在電源領域，尚無法確知其長期效能表現。這個問題成為許多應用開發者導入時的障礙。為精準預測這類元件的長期表現，我們需要新的生命週期模型。 GaN元件特性與故障分析 依據高電子遷移率電晶體(HEMT)元件結構，GaN元件行為和其矽基同類產品也有很大差異。這些差異可能導致GaN...

寬能隙元件(WBG)直到最近幾年才開始被廣泛運用在電源領域，尚無法確知其長期效能表現。這個問題成為許多應用開發者導入時的障礙。為精準預測這類元件的長期表現，我們需要新的生命週期模型。 氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)元件具有獨特屬性，因此日漸成為電力電子應用中矽的替代品。SiC...

Cambridge GaN Devices(CGD)致力於開發一系列節能的GaN式電力裝置，目標是讓電子元件變得更環保，該公司在應用電子電力大會(APEC)上提出多篇論文，涵蓋關於永續發展的策略觀點並深入進行技術分析。CGD使用通過驗證的參考設計和評估板，並透過新建立和既有的GaN生態系統合作夥伴進行展示。 CGD執行長GiorGIA...

數位化、低碳等全球大趨勢推升了市場對碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)功率元件的需求。這類元件具備獨特的技術特性，能讓電源產品具有更好的性能和能源效率。在電力電子領域長年耕耘的英飛凌(Infineon)與台達電，日前宣布深化合作關係，將加強推動寬能隙元件在高階電源產品上的應用。 英飛凌與台達電持續加深雙方產品的結合與應用，包括台達最新的1.4kW伺服器電源供應器和1.6kW的80...

筑波科技在WBG(Wide Band Gap)寬能帶化合物半導體(氮化鎵GaN、碳化矽SiC 、氮化鋁AlN)的異質材料界面、Wafer 、Epi 的材料分析MA與故障瑕疵分析 FA ，已有很好的測試方案經驗。跟Teradyne...

是德科技(Keysight)攜手國立中央大學光電科學研究中心(National Central University Optical Sciences Center)，共同合作提高了GaN、SiC應用研發及測試驗證之效率，並加速5G基建及電動車創新之步伐。 新興寬能隙材料(WBG)的出現，例如氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)等，以其高切換速度、低導通損耗以及更高的耐溫及承受電壓等特性，逐漸導入電源相關之消費性產品、快充等應用，產品比過往精巧且效能更高。然而，相比傳統矽基的MOSFET或IGBT，寬能矽材料帶來的種種優勢也同時增加了其設計及測試難度，比如更為複雜的驅動設計，更快的開關速度帶來的振盪以及電磁相容問題等。同時，如何於更高的頻率執行高精確度及重複性之動態測試以及實現更接近於真實情況的器件建模和電力電子模擬都是當前極具挑戰之課題。 國立中央大學光電科學研究中心(NCUOSC)導入了Keysight...

採用氮化鎵(GaN)這類寬能隙(WBG)材料製成的功率開關憑藉其優異效率及高速切換頻率，開啟了功率電子的新時代。因應此一發展，英飛凌科技股份有限公司(infineon)推出整合功率級(IPS)產品CoolGaN...