汽車電動化趨勢正穩定成長，因此插電式油電混合車和全電動車(xEV)需要高效率的功率半導體。
相較於傳統硅(Si)芯片，碳化硅(SiC)的優點不僅能應用在工業，亦能應用於汽車產業中。 隨著SiC效率與功率密度的增加，汽車能更高度的自動駕駛化(電池體積更小)、系統的大小與重量減少、充電速度加快，最終能讓更多客戶接受電動交通。 由於技術進步，SiC半導體在xEV子系統的滲透率將在未來十年內提高。
目前功率模塊與獨立組件一般採用硅基二極管、MOSFET與IGBT。
相較之下，xEV傳動系統中的SiC電路能讓芯片有相同的額定功率，但尺寸更小。 此外，SiC技術能減少熱損耗，這意味著與過去的系統相比，應用此技術的組件會更有效率，且更為輕巧。 在應用上，因SiC的優點而受益的組件有主變頻器、內部充電器電子組件、升壓器或DC-DC轉換器(圖1)。
圖1 SiC芯片特別適用於要求嚴格的xEV子系統，如主變頻器、內部充電電子組件，以及DC-DC轉換器。
克服可靠性/成本挑戰 SiC準備應用至車輛中
過去二十多年來，SiC半導體組件已應用於各種用途中，但若要應用在汽車電子上，仍有一些障礙須要克服。 為了能夠有效地將這項新技術也應用在車輛上，必須滿足以下兩個主要層面：高可靠性及成本效益。
多年以來在採用SiC MOSFET切換的情況下，無法開發出可靠的閘極成為了主要障礙。 近期在設計(例如溝槽概念)與製程上的突破，已讓裝置符合汽車製造商所要求的可靠性等級。
此外，SiC基本材料的生產(晶圓)更加複雜，導致晶圓尺寸變小(圖2)、每晶圓瑕疵數增加及成本提高。 雖然生成的硅晶體純度高，但SiC晶圓的瑕疵密度已成一大挑戰。 但近年來有了重大進展，瑕疵密度已大幅降低，最終可達成更大的芯片面積，因而減少整合到功率封裝中的難度。
圖2 硅與SiC晶圓尺寸比較
在過去，大多數的SiC供貨商為規模小、專精於半導體的製造商，但產量相對較少，且對汽車產業的經驗不足。 因此，規模經濟有限。 但是現在這種情況已經發生根本性的變化。 高質量的6吋SiC晶圓大幅改善生產力。 汽車市場對於SiC需求的成長潛力，已經成為半導體大廠投入此市場的極具吸引力的原因，目前的市場報告更肯定了這項趨勢。
SiC MOSFET有效減少變頻器三分之二熱損耗
與傳統的硅基高電壓IGBT或MOSFET(>600V)相比，SiC裝置有數項優點。 例如，與IGBT相比，SiC MOSFET顯示無軌跡效應，幾乎無正復原，亦無逆復原。 這造成不受溫度影響的切換損耗也遠低於硅(圖3a)。
SiC蕭特基二極管在這方面也引起注意。 高切換速度或極低的逆復原電荷(Qrr)減少了切換損耗，並且有效地精簡最終產品，SiC蕭特基二極管適用於內部充電器系統中的功率因子校正(PFC)電路。
除了展現低切換損耗外，SiC MOSFET在傳導損耗上也有數項優點。 事實上，與IGBT的類二極管特性相比，它們表現出類電阻的輸出特性。 這種無臨界值導通特性讓部分負載範圍中的傳導損耗更少(圖3b)。
圖3 與傳統硅IGBT相比，新款的CoolSiC Trench MOSFET提供無臨界值導通特性(右側圖b)，並顯著降低切換損耗(左側圖a)。
SiC MOSFET的基本優點使其非常適合在內部充電器或DC-DC轉換器中運作，這些充電器或轉換器由於更高的切換頻率，可使用更小的被動組件。
這些優點也使其適用於變頻器應用，因為變頻器切換頻率一般低於20kHz。 在此效率基本上由部分負載的運作所決定。 SiC MOSFET可減少變頻器的平均熱損耗達三分之二。
提升封裝技術達高功率密度
為了充分利用SiC芯片的效能，功率模塊需要相應優化的封裝技術。 功率密度愈高，則不僅須要改善封裝材料，還須要考慮到芯片愈小將導致熱阻愈高，因而使熱機械壓力更高。
此外，為能夠完全利用SiC MOSFET的快速切換功能，也需要寄生電感低的封裝。 這便需要新穎的功率模塊封裝概念。 現代化的封裝概念及雙側散熱可用於優化裝置的熱阻，例如英飛凌的功率模塊HybridPACK DSC(雙側散熱)。 此模塊具備有效的雙側散熱，因此可大幅減少系統層級的熱阻Rth(圖4)，如此一來便可設計出極高功率密度的變頻器。
圖4 採用雙面冷卻的創新封裝概念(指HybridPACK DSC)，實現高效率且精巧的功率模塊。
SiC MOSFET能夠實現非常精巧且高效率的變頻器，在相近條件下，與IGBT型變頻器相比，SiC MOSFET能大幅縮小芯片面積；由於芯片損耗減少，不同駕駛場景的效率提高了3%以上，尤其是在有大量加速階段的城市交通中。
縮小芯片面積 SiC MOSFET降低成本
當考慮到變頻器效率時，應該注意兩個方向的能量流，分別為產生扭力時從電池到方向盤，以及能源復原(回收)期間從方向盤回到電池。
因此，變頻器的效率對電池型全電動車至為重要，因為它直接影響到可達範圍或確保某個範圍時所需的電池尺寸。 由於電池是關鍵的成本因素，因此電池芯若能減少5%到10%，可使電池輸出功率超過40kWh的系統成本大幅降低。
硅不像SiC能夠有效地支持高崩潰場強度。 標準1200V IGBT的損耗遠遠大於600V級別的損耗，而1200V SiC MOSFET能夠在850V範圍內更高的電池電壓下高效率地運作。
這使得SiC特別適用於亦允許快速充電應用的架構中。 透過目前正在開發的充電站基礎設施，80kWh的電池在短短15分鐘內就能充電至80%，這表示推動電動車的最大障礙之一將會消除。
SiC發展日漸普及
雖然SiC材料比硅貴，卻能顯著地增加功率密度。 在指定的功率需求下，半導體內容可減少到係數5。 像是英飛凌一開始就以150mm(6吋)晶圓製造其溝槽型SiC MOSFET。 考慮到系統層級的優點，例如更精巧的設計、更少的冷卻作業、更輕的系統、更高的效率，SiC在其首次應用中已經具有競爭力。
越來越多的系統製造商(第1層)和汽車製造商(OEM)依賴SiC進行未來的開發。 因此，英飛凌也計劃透過其1200V CoolSiC MOSFET，達到新的效率與效能水平；像是針對功率模塊HybridPACK Drive CoolSiC(圖5) 進行的研究證明了精巧的變頻器在850V時提供超過200kW功率的可行性。
圖5 HybridPACK Drive CoolSiC功率模塊原型
(本文作者為英飛凌電動傳動部門首席工程師)
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