新電子 Micro-Electronics 8月號/2019 第401期

"寬能隙材料來勢洶洶 SiC/GaN各有市場定位

碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)是近年來最受矚目的化合物半導體新秀，除了應用在無線通訊之外，這兩種寬能隙材料在功率半導體領域，也有很大的發展潛力。相較於以矽為基礎的超接面場效電晶體(Super Junction MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，GaN跟SiC最大的優勢在於可以實現更高的開關頻率、耐受電壓也更高，使電源系統的效率得以明顯提升。
另一方面，隨著電動車、電池儲能系統兩大應用展現出雄厚的市場潛力，雙向電力傳送又是車載充電器、充電樁與儲能電池轉換器必備的基本功能，這將使圖騰柱功率因素校正(Totem Pole PFC)拓撲成為車廠、Tier 1、充電設備商與儲能設備商在開發相關產品時的最佳選擇。而圖騰柱拓撲的流行，將會為GaN跟SiC功率元件搭起全新的舞台，因為現有的矽功率元件不適合用來實現圖騰柱拓撲。
電動車/綠能雙箭頭帶動　 SiC搶攻高電壓市場
羅姆半導體(Rohm)設計中心副理唐仲亨(圖1)分析，就市場應用面來看，電動車的車載充電器、為電動車供電的充電樁，以及搭配太陽能、風力發電系統所使用的大型儲能系統，會是寬能隙功率元件最具主場優勢的應用。因為這類應用需要具備雙向電力傳送的能力，因此不管是車載充電系統、充電樁或儲能系統的轉換器，都需要採用圖騰柱拓撲。然而，圖騰柱拓撲需要使用兩個體二極體作為高頻整流開關，除了驅動控制較為複雜，如果使用傳統矽二極體，因為其恢復時間較慢，電流倒灌所引發的損耗大，會嚴重降低電源轉換的效率；如果採用IGBT，雖然其恢復時間夠快，但IGBT的導通壓降比較大，也會產生很高的效率損失。
因此，如果電源設計者想實現圖騰柱拓撲，最理想的選擇將是GaN或SiC。不過，如果是充電樁或大型儲能系統，甚至軌道運輸這類應用，因為其功率需求都非常高，在此前提下，SiC會是比GaN更合適的選擇。目前已經商品化的GaN FET，耐受電壓通常為600V或650V，但SiC則是1,200V起跳，未來更會一路向上發展到3,300V。在需要超大功率傳輸的應用上，SiC具備先天優勢。
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