六月份最新主流:SiC功率元件

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徐照興 分析師  個人專區

美股費半已準備回補武漢缺口
甚至有機會挑戰歷史高
有甚麼樣的產業是未來一定要用到
目前又才剛冒出頭

我們今天來談SiC
目前市場上幾乎都把SiC和GaN綁再一起看
但是其實兩者適用的環境是不太相同,
放在一起討論,很容易造成讀者困擾
.

◆SiC材料是可耐高溫、耐高壓、頻率也較高,
因此適用在需要大電壓、大電流轉換的場景,
如電源供應器,主要是用來取代功率元件;
.
◆GaN則是超高頻材料,
主要用在國防通訊、基地台的射頻元件,
是用來取代CMOS、GaAs射頻元件,
.
而隨著5G mmWave(毫米波)超高頻的發展趨勢,
未來將會帶動GaN材料應用需求大幅提升
今天我們的主角是SiC,未來有機會,我們再來分享GaN。
(其中的差別有興趣的可以參考圖一)

圖一 各種半導體材料對應的功率及頻率

要談這塊前
我們要先知道【功率】
.
每一種電子產品的耗電量都不相同,
像手機電池平均消耗功率在0.1~5W,
一般14英寸風扇功率為50W,
PC/NB約在60~80W,
冷氣機平均為900W,
吹風機平均1200W,
小型風力發電50kW,
電動車變壓器200kW。


電子產品的功率(W)愈高,
表示使用的時間愈長,
耗電量就愈大,
而功率(P)的公式是 P=V(電壓) X I(電流),
因此高功率的電子產品,
主要就是讓電壓很高或是讓電流很大
.
然而,不同的材料,
適合用的電壓、電流的環境都不相同。
.
我們常會看到文章談到#功率半導體,
主要應用電壓、電流及相位轉換的電路系統,
像電源供應器、充電器、音響音訊、逆變器、
高鐵、電動汽車、風力發電、無線充電等
.
這和我們所熟悉半導體龍頭台積電晶圓代工的領域是不相同的。
.
台積電主要是負責電子產品中,進行高速數位運算的部分,
用人體器官來比喻的話,就是人的大腦,
而至於功率半導體,就像是負責心臟和血液的流動,彼此各司其職。

◆功率半導體主要可分為
功率離散元件 (Power Discrete)
與功率積體電路 (Power IC) 二大類。
.
比較值得討論的是在功率離散元件這塊
這塊產品包括 MOSFET、二極體及 IGBT,
其中主要應用又以MOSFET 與IGBT 為主。
.
MOSFET、IGBT主要用途是
將發電設備所產生出(各種電壓和頻率雜亂)的電流,
透過一系列的轉換,調製成(擁有特定電能參數)的電流,
再分別供應給各類終端電子設備,就像是一種電壓控制的開關。
.
MOSFET、IGBT主要是由矽晶圓(Si)所製造生產的,
其實Si材料本身能源轉換損耗較大,
但因為產品成熟,價格低廉,為市場主流應用。
而近幾年因為 #電動車的興起,
研究人員苦思如何能提升電池效率、電動車續航時間等,於是找到了SiC(碳化矽)
.
SiC最初的應用在太陽能 #儲能逆變器、#資料中心伺服器UPS電源
和智慧電網充電站等需要轉換效率較高的領域。
.
SiC是一種「寬能隙」材料,
背後含義就是可耐高溫、高壓、高頻的材料,
如果在相同的功率之下,電壓愈高就表示電流可以更低(P=V x I),
這樣電源系統使用的 #銅金屬總量會減少,直接影響的就是系統成本的降低;
而高電壓促成產生的電阻損耗較少,可達到更好的效率,也能做到極小的開關損耗。
.
如圖二,如果我們將MOSFET材料由Si換成SiC之後,
模組的體積、重量就可大幅的縮小,
且電源轉換效率損耗可減少20%以上。

圖(二)功率元件材料使用SiC和Si模組的差異

目前SiC在 #車用領域已獲得大量導入,
元件成本仍較高,仍是Si產品的4倍以上,
短期內在電動車領域仍以高階市場為主,
但隨著SiC產品應用增加,價格成本下滑,
SiC優異的產品性能,將成為電動車市場的主流應用。


碳化矽功率半導體應用日益廣泛,
2018年全球SiC功率半導體市場規模仍未達4億美元,
但在汽車電動化、智慧電網、快速充電等趨勢下,
預估2030年SiC功率半導體全球市場規模可望達到45億美元以上,
年複合成長率達22%以上,相當具業績及題材性。

圖(三) 全球SiC主要供應鏈及台廠相關受惠股

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