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台灣寬能隙技術專家 瀚薪科技聚焦SiC與GaN元件開發
 

【作者: 王景新】   2019年07月15日 星期一

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功率半導體元件(power semiconductor device)又稱電力電子元件(power electronic device)係一高度競爭市場,外有國外大廠雄踞,內也有不少台廠投入,從工研院分拆出來的瀚薪科技設立於台灣新竹,是聚焦寬能隙(wide band-gap)材料基礎的高功率半導體設計公司,長期致力於碳化矽(silicon carbide; SiC)與氮化鎵(gallium nitride; GaN)功率半導體技術與產品開發,專注投入於SiC與GaN材料特性、製程工藝與功率半導體設計及電力電子應用相關研究。



圖一 : 瀚薪碳化矽已研發至1700V,未來將往更高功率邁進(攝影/王景新)
圖一 : 瀚薪碳化矽已研發至1700V,未來將往更高功率邁進(攝影/王景新)

「車用將是寬能隙功率半導體的一個重要應用市場,新能源汽車裡面的DC/DC轉換器,或是車載電源系統(onboard charger; OBC),透過SiC功率半導體的應用,可提升應用系統的電力轉換效率,讓行駛里程數增加或更有效的配置電池。」瀚薪科技行銷與業務處處長楊雅嵐表示。


她指出,行駛里程數增加意謂行車續航力延伸,對於電動車發來說,碳化矽(Silicon Carbide; SiC)是很關鍵的零件;包括去年特斯拉(Telsla)就在旗下新車使用碳化矽的金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ; MOSFET),也帶動SiC功率半導體在電動車輛應用市場中快速前進。



圖二 : 瀚薪行銷與業務處處長楊雅嵐(攝影/王景新)
圖二 : 瀚薪行銷與業務處處長楊雅嵐(攝影/王景新)

瀚薪科技團隊2004年起便投入碳化矽材料相關研究,團隊在IGBT等功率半導體元件開發的基礎上,進一步邁入已受歐美日等大廠關注的新一代寬能系功率半導體元件開發之列。楊雅嵐憶及,十年前綠能、太陽能題材爆發,如何提高轉換效率,減少損耗成為各國短兵相接之處。


以歐美日來說,美國最早投入,當時由政府與軍方計畫支援相關技術開發已超過十年。台灣過去長期聚焦半導體IC產業發展,再到後來的LED;屬於基礎科技的功率半導體行業,則多由民間企業投入而較少為大眾或政府所關注。


「但其實只要用電產品,就會使用到功率半導體。」楊雅嵐指出。隨著市場對新能源與節能的大功率電力電子系統應用興起,在高效率電源供應器、太陽能逆變器、大功率空調系統、電動車等市場中,就帶起了新一波的寬能隙功率半導體市場起飛。


從電源供應器起家 提供白金等級效率

瀚薪科技關注新的材料科技,而瀚薪當時開發的技術已經可以做產品。加上台灣本土已有多家領先的電源供應器廠商,包含台達電、康舒、光寶等,這些台灣業者的世界排名和市占率均屬前段班。


「因此決定就近提供給這些台灣電源供應器廠商,毅然切入這塊市場。」楊雅嵐說。


然而傳統矽材料功率半導體屬低壓,不容易做高耐壓產品,或是高耐壓元件特性容易被影響。而寬能隙因材料特性,可以做很簡單的元件,特性又好,且矽材料技術門檻不高,於是鎖定寬能隙作為發展基石。


電源供應器產業裡,產品有著不同的等級認證,凡能源效率越高的,就可取得更高級的認證,受檢產品可拿到銅、銀、金、白金、鈦金等不同等級認證。而採用碳化矽元件,就有機會打進白金級以上的電源供應器。



圖三 : 瀚薪研發獲得不少獎項肯定(攝影/王景新)
圖三 : 瀚薪研發獲得不少獎項肯定(攝影/王景新)

本持初衷,提供台廠更好的產品技術服務,目前客戶遍及台廠、陸廠、 日韓廠,接下來也將進軍歐美。台灣客戶部分,多是電源供應器、伺服器電源以及一般電源廠商。80PLUS效能標示講究電源轉換效率,「白金、鈦金等級都要求要達到96%以上,對使用傳統元件來說挑戰極大。


碳化矽優勢在這裡展現。」她舉例,曾有客戶說一個1000W的電源供應器,「其它零件不換,光換一個碳化矽二極體,系統效率就可以提升0.3%。」


0.3%看似不多,以一個1000W系統為例,0.3%的效率提升,等於功耗降低3瓦。一個系統節省三五瓦,很多系統組合起來就對省電發揮了很大功效。


以設計系統來說,用傳統設備要透過好幾個零件的調適,才能免強擠出0.1%或0.2%的改善,光一個碳化矽二極體,可以改善功率3瓦,確是相當驚人。


綠能與電動車迅速崛起 成為新興動能

而在中國大陸,客戶多為太陽能逆變器(PV Inverter)供應商,乃至風力發電應用,在新能源車輛的市場,也在快速切入;歐洲也以再生能源系統及車用為多。日韓是用於半導體設備上特殊電源為主,近期針對電動車充電系統應用與車載DC/DC等電源應用,也已有推展成效。許多電力電子系統,過去使用碳化矽二極體,已獲得顯著的效率改善,隨著技術與產品的進步與成熟,客戶已快速導入碳化矽MOSFET,更有利於系統拓撲結構的設計簡化。


至於車用市場,通常電壓需求高,考量安全性,元件的耐壓需要更高規格。過去高耐壓1000V以上多以IGBT為主流元件,然而其元件切換速度/開關頻率慢,又有拖尾電流,會造成較大功率損耗;MOS速度快、無拖尾電流,惟元件電流數不易做大;碳化矽電流不大,但可以做到高耐壓,功率損耗小,改善了系統效率,而操作頻率增加,相關電容等被動元件體積縮小,系統體積一併劇減。


楊雅嵐透露,某電動車DC/DC一級供應商客戶就曾舉例,與競爭對手同樣設計6KW的DC/DC,「別人拿出來一大台,我們的設計體積少了一大半,終端客戶當然選我們的設計。」畢竟車上空間有限,這是碳化矽MOS所帶來的實質好處。


瀚薪雖然曾遭遇過知名度不如發展已久的國際大廠之困境,但憑藉著優異的技術,讓產品有口皆碑,已逐漸走出往日窠臼。以下世代高效率的功率半導體技術為出發點,瀚薪透過領先的寬能隙功率半導體設計技術、可靠穩健的高品質產品,及彈性靈活的經營模式,成為全球電力電子客戶新一代節能高效設計的重要夥伴,並為低耗能環境保護盡最大心力。


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