《產業分析》電動車扮推手 車用化合物半導體時代來臨(5-1)

《產業分析》電動車扮推手 車用化合物半導體時代來臨(5-1)

電動車大致可分爲電源相關係統及電力系統兩大區塊,其中電源相關係統包括:動力馬達驅動與電池系統,電力系統則分別車載充電(OBC)和車外(off-board)充電系統;一般來說,電動車動力馬達驅動(逆變器)、電力系統的車載充電如:車載高電壓充電(OBC)、DC/DC轉換器(低壓到高壓電源轉換)因應用上會有較大的電流衝擊,元件必須耐高電壓、大電流及高溫;至於電池系統的車載電池充電、D2D轉換器(Converter)應用朝高密度功率及節能,元件須具高轉換效率。

過去高壓電源應用中,金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)一直是主要的解決方案,但由於600伏特(V)電壓環境下,以矽爲主材料的MOSFET,其切換雜訊(Switching Noise)較高,且寬能隙半導體擁有極低的內部電阻改善熱性能,可達更高的功率密度及散熱最佳化,並進一步減少尺寸和重量,極短的關斷時間,能在非常高的開關頻率下運作,工作溫度也更低,加上更高的擊穿電壓,因此給予氮化鎵(GaN)或由矽(Si)與碳(C)所組成的碳化矽SiC進入高壓電源、電動車市場的機會。

不過,雖然氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)同屬第三代化合物半導體材料,但兩者材料特性及效能各有所長,在車用動力系統及車載電源應用亦各擅勝場。

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Gan元件雖然擁有高轉換效率等優勢,且傳統矽半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻製程已成功應用到化合物半導體制造,生產成本降低,讓GaN在中低功率領域有機會替代二極體、IGBT、MOSFET等,但電池容量日益增加朝着高電壓(800V)及縮短充電時間方向發展,各大車廠致力開發具備更高效率及輕巧電動系統,特別是在驅動核心—動力逆變器系統方面,SiC元件因寬能隙(band gap)較現有矽半導體寬3倍以上,可以承受10倍以上電壓,適合應用在電動車逆變器(inverter)、車載充電等,且碳化矽結合MOSFET可以做得更薄、能耗更小,亦可耐1200V以上的高電壓、大電流,在車用領域逐漸嶄露頭角。

再者,OBC目前主流規格落在3.3~6.6kW間,爲加快充電速度,家用功率規格朝最大22KW發展,加上電動車角色由吃電怪獸轉爲「充電寶」、「雙向充電」成爲趨勢,在大陸及北歐等區域有強勁需求,6.6KW(含)以上產品開始搭載雙向充放電功能,其中又以11KW~22KW規格比重較高,6.6KW(含)以上大功率產品有利SiC功率元件導入,且SiC元件可降低能耗損失,並使OBC小型化,有利嵌入車體有限空間內,相較於單向充電,雙向充電亦有利於SiC功率元件使用量倍增。

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臺達電(2308)表示,車載充電器AC電來自家用AC電源,有單相及三相電,由於車內使用電需求愈來愈高,且電動車愈做愈好,跑得里程愈來愈長,基本上要60KW到70KW電池纔夠,因此Battery(電池)容量從20KW小時、50KW小時到100KW小時,若用過去的3.3KW或6.6KW OBC充電,充電時間非常長,目前OBC都在談11KW及22KW,三相電因可以Provide(提供)更大的Power(電力),如果要做到11KW OBC就一定要用三相電來增加充電能力,且在Device(設備)中間Intermediate Bus(匯流排)拉到800 V,也就是若電力架構已經固定,在設計中必須把三相AC電拉到800V DC,再從800V DC經過一些裝置能夠Charge 400 V電池或800 V電池,而OBC中間電壓要800 V,意謂使用的元件一定要800V以上,氮化鎵因製程關係,650V爲最適合應用狀態,無法拉昇到1200 V,在OBC階段一直跑輸SiC,且距離愈拉愈大,爲了耐高電壓,只能選擇SiC的1200V,預期未來趨勢2到3年內將是SiC獨佔鰲頭。

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若氮化鎵在車用領域欲反轉SiC獨霸,只有一種情況,Power density(功率密度)從現在每公升2KW要拉昇到5KW,由於目前每家廠商能夠做到的OBC Power density(功率密度)爲中上靠近上2000W/Per liter,也就是每公升體積車載充電器可以達到2KW容量,如果要每公升要做到5KW,也就是10KW本來要5公升體積,若Power density每公升5KW,只需要2公升體積,體積差了2.5倍,就會考慮使用氮化鎵;再者,由於氮化鎵在電子設備使用可以達到提高更好效率及更高切換頻率,因此在技術上切換頻率很高,會到Mega Hertz以上的Wireless power transfer(無線通訊電力傳輸),以及Lidar偵測端就成爲氮化鎵在車用的兩大用途。(5-1)

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