以電子元件的力量支持棄用化石燃料的轉型

提高電源轉換和馬達驅動器效率以及擴大 SiC 和 GaN 功率半導體使用的條件是什麼？

11/21/2023

世界各國政府和各行各業的公司正攜手努力實現碳中和（圖 1）。所有可以想到的多方面去碳化措施都在進行中。例如，包括利用太陽能等可再生能源、將過去燃燒化石燃料的設備電氣化，以及減少家用電器、IT 設備和工業馬達等現有設備的耗電量。

各個國家和地區都引進了碳定價機制，作為將溫室氣體排放從商業活動轉為成本的制度。因此，碳化措施除了具有社會貢獻的意義外，現在對財務報表也有明確的數字影響，成為企業管理的成績單。

加快電氣化和降低電力消耗的步伐以實現碳中和的形象 — 圖 1：為實現碳中和而加快電氣化和降低電力消耗的步伐

半導體材料 50 年來首次全面變型

去碳化工作的活動越來越多。在此背景下，有一個半導體領域的技術創新步伐正在迅速加快。這就是功率半導體領域。

功率半導體是一種半導體裝置，用來管理、控制和轉換電氣與電子設備運作所需的電力。這些元件內建在所謂的電力電子電路中。這些電路包括為家電和 IT 設備穩定提供驅動電源的電源電路、無浪費地傳送和分配電源的電源轉換電路，以及以可自由控制的轉矩和轉速高效驅動馬達的電路。這些功率半導體是實現可持續發展社會的關鍵器件，現在已開始進行 50 年一遇的全面模式變革。

功率半導體有各種不同的元件結構，包括 MOSFET* ¹、^IGBT *2 和二極體。它們的用途各異。然而，儘管結構不同，矽 (Si) 作為元件材料已持續使用超過 50 年。這是因為 Si 具有良好的電氣特性，並且具有容易同時加工成各種元件結構的特性。

*1: 金屬氧化半導體場效應電晶體 (MOSFET) 是一種場效應電晶體。它具有電子開關的功能。這些電晶體由三層組成：金屬、氧化物和半導體。透過對稱為閘極的電極施加電壓來開關電流。

*2: 絕緣閘極雙極型電晶體 (IGBT) 是一種結合 MOSFET 和雙極型電晶體結構的電晶體。它的特點是結合了 MOSFET 的高速運作與雙極型電晶體的高耐壓和低電阻。

然而，以 Si 為基礎的功率半導體已無法滿足進一步降低各種電器和電子設備功耗的高水平技術要求。為了克服這種情況，利用碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等新材料的研究正在取得進展，這些材料比 Si 更適合用作功率半導體的材料。SiC 和 GaN 具有多種適合功率半導體的物理特性和特徵。這些特性包括它們的介質擊穿場強度（影響耐電壓）、遷移率（影響操作速度）和熱導率（影響可靠性）。如果我們能夠開發出帶出這些優異特性的元件，就能實現更高性能的功率半導體。

以 SiC 為基礎的 MOSFET 和二極體已經商品化。它們被用於電動汽車 (EV) 馬達驅動逆變器、太陽能發電功率調節器中的 DC/AC 轉換器以及其他設備。以 GaN 為基礎的^HEMT*3也已經商品化。它們現已用於超小型 PC 的 AC 轉換器、智慧型手機充電器及其他設備。

*3: 高電子遷移率電晶體 (HEMT) 是一種場效應電晶體，透過結合不同特性的半導體，誘發具有高遷移率的電子，從而實現高速切換。

電容器、電感器和其他設備的演進對發揮 SiC 和 GaN 的潛力至關重要

單靠取代現有功率電子電路中的矽基元件，並不能充分發揮以新材料為基礎的功率半導體的潛力。這是因為組成電力電子電路的其他半導體 IC、被動元件，甚至是控制軟體，都是在假設它們會用於矽基功率半導體的基礎上開發和選擇的。為了有效利用新材料功率半導體，有必要重新開發和選擇這些周邊元件。

使用資料中心伺服器和其他技術中使用的氮化鎵基功率半導體的 AC/DC 轉換器電路範例圖片 — 圖 2：使用資料中心伺服器和其他技術中使用的氮化鎵功率半導體的 AC/DC 轉換器電路範例

例如，眾多的GaN HEMT被用於AC/DC轉換器電路中，這些電路採用了最近推出的GaN HEMT，以降低數據中心伺服器電源的功耗（圖2）。利用 GaN HEMT 可在高電壓下高速切換的特點，可以提高電力電子電路的切換頻率（工作頻率）。在工作頻率較高的電路中，嵌入電路中的電容和電抗器信號處理電路中的電感的電抗值可以較低。一般而言，低電抗元件的尺寸較小。因此，可以縮小電路板的尺寸，並提高功率密度。同樣地，即使是在驅動電動車馬達和其他元件的逆變器電路中導入 SiC MOSFET，也可以縮小週邊元件的尺寸，還可以使整體逆變器電路更小、更輕。

另一方面，高電壓和高速切換電源供應器可能會產生高雜訊。雜訊可能會對週邊設備的運作造成不利影響。使用 SiC 和 GaN 製成的功率半導體的電源供應器開關頻率甚至更高。因此，發生雜訊的風險會進一步增加。因此，與使用現有的電源電子電路相比，需要更嚴格的雜訊抑制。此時，需要使用專門設計用於高電壓、大電流和高頻電路的雜訊抑制元件，而非用於傳統電路的元件。

此外，對於即使在被動元件中也是特別重的元件的變壓器，也需要能在更高頻率下運作的小型變壓器。低矮型平面變壓器和其他元件已經被開發出來，並在假設它們將用於以 SiC 和 GaN 為基礎的功率半導體的情況下推出市場。

關注功率半導體以外的週邊元件演進

到目前為止，各種半導體（不僅限於功率半導體）都是以 Si 為基礎製造的。因此，許多現有的電子元件都是在與 Si 半導體結合使用的隱含假設下開發的。為了讓新材料功率半導體的導入發揮最大的效果，可能有必要開發新的產品以適應新的技術要求，而不是簡單地在現有元件中尋找更好的產品。

功率半導體按元件材料和結構分佈的圖像 — 圖 3：功率半導體按元件材料和結構的分佈情況

一般而言，矽基功率半導體傾向於以較低的速度運作，其可處理的電壓和電流越大 (圖 3)。這就是沒有足夠的小型電容和電抗器可以處理高電壓和大電流的原因。此外，對於能在高溫下穩定運作的 SiC 基功率半導體而言，簡化散熱系統、減小尺寸、重量和成本也是大勢所趨。在這些情況下，被動元件也需要在高溫環境下具有保證的高可靠性。

在功率半導體領域引入新材料，是更新 50 多年來針對 Si 材料進行優化的電子電氣生態系統的重大舉措。因此，我們也要高度關注針對新材料進行最佳化的周邊電子元件的演進。