《产业分析》电动车扮推手 车用化合物半导体时代来临(5-1)

电动车大致可分为电源相关系统及电力系统两大区块，其中电源相关系统包括：动力马达驱动与电池系统，电力系统则分别车载充电(OBC)和车外(off-board)充电系统；一般来说，电动车动力马达驱动(逆变器)、电力系统的车载充电如：车载高电压充电(OBC)、DC/DC转换器(低压到高压电源转换)因应用上会有较大的电流冲击，元件必须耐高电压、大电流及高温；至于电池系统的车载电池充电、D2D转换器(Converter)应用朝高密度功率及节能，元件须具高转换效率。

过去高压电源应用中，金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)一直是主要的解决方案，但由于600伏特(V)电压环境下，以矽为主材料的MOSFET，其切换杂讯(Switching Noise)较高，且宽能隙半导体拥有极低的内部电阻改善热性能，可达更高的功率密度及散热最佳化，并进一步减少尺寸和重量，极短的关断时间，能在非常高的开关频率下运作，工作温度也更低，加上更高的击穿电压，因此给予氮化镓(GaN)或由矽(Si)与碳(C)所组成的碳化矽SiC进入高压电源、电动车市场的机会。

不过，虽然氮化镓(GaN)及碳化矽(SiC)同属第三代化合物半导体材料，但两者材料特性及效能各有所长，在车用动力系统及车载电源应用亦各擅胜场。

Gan元件虽然拥有高转换效率等优势，且传统矽半导体的薄膜、曝光、显影与蚀刻制程已成功应用到化合物半导体制造，生产成本降低，让GaN在中低功率领域有机会替代二极体、IGBT、MOSFET等，但电池容量日益增加朝着高电压(800V)及缩短充电时间方向发展，各大车厂致力开发具备更高效率及轻巧电动系统，特别是在驱动核心—动力逆变器系统方面，SiC元件因宽能隙(band gap)较现有矽半导体宽3倍以上，可以承受10倍以上电压，适合应用在电动车逆变器(inverter)、车载充电等，且碳化矽结合MOSFET可以做得更薄、能耗更小，亦可耐1200V以上的高电压、大电流，在车用领域逐渐崭露头角。

再者，OBC目前主流规格落在3.3~6.6kW间，为加快充电速度，家用功率规格朝最大22KW发展，加上电动车角色由吃电怪兽转为「充电宝」、「双向充电」成为趋势，在大陆及北欧等区域有强劲需求，6.6KW(含)以上产品开始搭载双向充放电功能，其中又以11KW~22KW规格比重较高，6.6KW(含)以上大功率产品有利SiC功率元件导入，且SiC元件可降低能耗损失，并使OBC小型化，有利嵌入车体有限空间内，相较於单向充电，双向充电亦有利于SiC功率元件使用量倍增。

台达电(2308)表示，车载充电器AC电来自家用AC电源，有单相及三相电，由于车内使用电需求愈来愈高，且电动车愈做愈好，跑得里程愈来愈长，基本上要60KW到70KW电池才够，因此Battery(电池)容量从20KW小时、50KW小时到100KW小时，若用过去的3.3KW或6.6KW OBC充电，充电时间非常长，目前OBC都在谈11KW及22KW，三相电因可以Provide(提供)更大的Power(电力)，如果要做到11KW OBC就一定要用三相电来增加充电能力，且在Device(设备)中间Intermediate Bus(汇流排)拉到800 V，也就是若电力架构已经固定，在设计中必须把三相AC电拉到800V DC，再从800V DC经过一些装置能够Charge 400 V电池或800 V电池，而OBC中间电压要800 V，意谓使用的元件一定要800V以上，氮化镓因制程关系，650V为最适合应用状态，无法拉升到1200 V，在OBC阶段一直跑输SiC，且距离愈拉愈大，为了耐高电压，只能选择SiC的1200V，预期未来趋势2到3年内将是SiC独占鳌头。

若氮化镓在车用领域欲反转SiC独霸，只有一种情况，Power density(功率密度)从现在每公升2KW要拉升到5KW，由于目前每家厂商能够做到的OBC Power density(功率密度)为中上靠近上2000W/Per liter，也就是每公升体积车载充电器可以达到2KW容量，如果要每公升要做到5KW，也就是10KW本来要5公升体积，若Power density每公升5KW，只需要2公升体积，体积差了2.5倍，就会考虑使用氮化镓；再者，由于氮化镓在电子设备使用可以达到提高更好效率及更高切换频率，因此在技术上切换频率很高，会到Mega Hertz以上的Wireless power transfer(无线通讯电力传输)，以及Lidar侦测端就成为氮化镓在车用的两大用途。(5-1)