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台湾宽能隙技术专家 瀚薪科技聚焦SiC与GaN元件开发
 

【作者: 王景新】2019年07月15日 星期一

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功率半导体元件(power semiconductor device)又称电力电子元件(power electronic device)系一高度竞争市场,外有国外大厂雄踞,内也有不少台厂投入,从工研院分拆出来的瀚薪科技设立於台湾新竹,是聚焦宽能隙(wide band-gap)材料基础的高功率半导体设计公司,长期致力於碳化矽(silicon carbide; SiC)与氮化??(gallium nitride; GaN)功率半导体技术与产品开发,专注投入於SiC与GaN材料特性、制程工艺与功率半导体设计及电力电子应用相关研究。



图一 : 瀚薪碳化矽已研发至1700V,未来将往更高功率迈进(摄影/王景新)
图一 : 瀚薪碳化矽已研发至1700V,未来将往更高功率迈进(摄影/王景新)

「车用将是宽能隙功率半导体的一个重要应用市场,新能源汽车里面的DC/DC转换器,或是车载电源系统(onboard charger; OBC),透过SiC功率半导体的应用,可提升应用系统的电力转换效率,让行驶里程数增加或更有效的配置电池。」瀚薪科技行销与业务处处长杨雅岚表示。


她指出,行驶里程数增加意谓行车续航力延伸,对於电动车发来说,碳化矽(Silicon Carbide; SiC)是很关键的零件;包括去年特斯拉(Telsla)就在旗下新车使用碳化矽的金属氧化物半导体场效电晶体(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ; MOSFET),也带动SiC功率半导体在电动车辆应用市场中快速前进。



图二 : 瀚薪行销与业务处处长杨雅岚(摄影/王景新)
图二 : 瀚薪行销与业务处处长杨雅岚(摄影/王景新)

瀚薪科技团队2004年起便投入碳化矽材料相关研究,团队在IGBT等功率半导体元件开发的基础上,进一步迈入已受欧美日等大厂关注的新一代宽能系功率半导体元件开发之列。杨雅岚忆及,十年前绿能、太阳能题材爆发,如何提高转换效率,减少损耗成为各国短兵相接之处。


以欧美日来说,美国最早投入,当时由政府与军方计画支援相关技术开发已超过十年。台湾过去长期聚焦半导体IC产业发展,再到後来的LED;属於基础科技的功率半导体行业,则多由民间企业投入而较少为大众或政府所关注。


「但其实只要用电产品,就会使用到功率半导体。」杨雅岚指出。随着市场对新能源与节能的大功率电力电子系统应用兴起,在高效率电源供应器、太阳能逆变器、大功率空调系统、电动车等市场中,就带起了新一波的宽能隙功率半导体市场起飞。


从电源供应器起家 提供白金等级效率

瀚薪科技关注新的材料科技,而瀚薪当时开发的技术已经可以做产品。加上台湾本土已有多家领先的电源供应器厂商,包含台达电、康舒、光宝等,这些台湾业者的世界排名和市占率均属前段班。


「因此决定就近提供给这些台湾电源供应器厂商,毅然切入这块市场。」杨雅岚说。


然而传统矽材料功率半导体属低压,不容易做高耐压产品,或是高耐压元件特性容易被影响。而宽能隙因材料特性,可以做很简单的元件,特性又好,且矽材料技术门槛不高,於是锁定宽能隙作为发展基石。


电源供应器产业里,产品有着不同的等级认证,凡能源效率越高的,就可取得更高级的认证,受检产品可拿到铜、银、金、白金、??金等不同等级认证。而采用碳化矽元件,就有机会打进白金级以上的电源供应器。



图三 : 瀚薪研发获得不少奖项肯定(摄影/王景新)
图三 : 瀚薪研发获得不少奖项肯定(摄影/王景新)

本持初衷,提供台厂更好的产品技术服务,目前客户遍及台厂、陆厂、 日韩厂,接下来也将进军欧美。台湾客户部分,多是电源供应器、伺服器电源以及一般电源厂商。80PLUS效能标示讲究电源转换效率,「白金、??金等级都要求要达到96%以上,对使用传统元件来说挑战极大。


碳化矽优势在这里展现。」她举例,曾有客户说一个1000W的电源供应器,「其它零件不换,光换一个碳化矽二极体,系统效率就可以提升0.3%。」


0.3%看似不多,以一个1000W系统为例,0.3%的效率提升,等於功耗降低3瓦。一个系统节省三五瓦,很多系统组合起来就对省电发挥了很大功效。


以设计系统来说,用传统设备要透过好几个零件的调适,才能免强挤出0.1%或0.2%的改善,光一个碳化矽二极体,可以改善功率3瓦,确是相当惊人。


绿能与电动车迅速崛起 成为新兴动能

而在中国大陆,客户多为太阳能逆变器(PV Inverter)供应商,乃至风力发电应用,在新能源车辆的市场,也在快速切入;欧洲也以再生能源系统及车用为多。日韩是用於半导体设备上特殊电源为主,近期针对电动车充电系统应用与车载DC/DC等电源应用,也已有推展成效。许多电力电子系统,过去使用碳化矽二极体,已获得显着的效率改善,随着技术与产品的进步与成熟,客户已快速导入碳化矽MOSFET,更有利於系统拓扑结构的设计简化。


至於车用市场,通常电压需求高,考量安全性,元件的耐压需要更高规格。过去高耐压1000V以上多以IGBT为主流元件,然而其元件切换速度/开关频率慢,又有拖尾电流,会造成较大功率损耗;MOS速度快、无拖尾电流,惟元件电流数不易做大;碳化矽电流不大,但可以做到高耐压,功率损耗小,改善了系统效率,而操作频率增加,相关电容等被动元件体积缩小,系统体积一并剧减。


杨雅岚透露,某电动车DC/DC一级供应商客户就曾举例,与竞争对手同样设计6KW的DC/DC,「别人拿出来一大台,我们的设计体积少了一大半,终端客户当然选我们的设计。」毕竟车上空间有限,这是碳化矽MOS所带来的实质好处。


瀚薪虽然曾遭遇过知名度不如发展已久的国际大厂之困境,但凭藉着优异的技术,让产品有囗皆碑,已逐渐走出往日窠臼。以下世代高效率的功率半导体技术为出发点,瀚薪透过领先的宽能隙功率半导体设计技术、可靠稳健的高品质产品,及弹性灵活的经营模式,成为全球电力电子客户新一代节能高效设计的重要夥伴,并为低耗能环境保护尽最大心力。


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