前瞻半導體／碳化矽帶動電動車效能新突破

「车载碳化矽技术解决方案」已导入本土元件制造、模组封装及系统业者，有助于带动台湾碳化矽功率半导体产业发展。

【撰文╱赖宛靖】

电动车是净零运输的主流，要减碳还要兼顾续航力，碳化矽（SiC）技术成为焦点。工研院发展「车载碳化矽技术解决方案」，提升功率密度，有效减轻车辆重量，让车辆更省电，延长电动车续航力，降低驾驶者的里程焦虑，期能在车辆电动化时代，延续台湾车用零组件产业的竞争优势。

「全球电动车市场处于快速增长期，随之而来的是充电需求，开始出现充电基础设施不足、抢充电桩的现象；想解决驾驶们的里程焦虑，就须提高充电效率及减轻车重。」工研院电子与光电系统研究所组长张道智表示，电动车的电池模组、电动马达及相关控制系统都很重，为安全承载电池与马达，车体结构也需加强，一般电动车比燃油车重高出20%到50%，连带影响续航力。」

碳化矽具高效率、高耐压、高温稳定性

碳化矽是种宽能隙化合物半导体材料，能在高电压、高温的操作环境下保持稳定，尤其适用于高功率转换器等功率元件。碳化矽的热导率是传统矽基材料的2至3倍，散热能力更佳，更能提升元件性能和可靠性。相比传统以矽基半导体为主的功率元件，具备高效率、高耐压、高温稳定性等优势，是电能转换效率提升的关键。

张道智进一步解释，「电动车的电池输出的是直流电，而马达使用的是交流电，传统的绝缘闸极双极性电晶体（IGBT）的转换效率约为95%，损耗5%；碳化矽则可将转换效率提升至97%，降低能量损耗，也减少对散热装置的需求，可减轻车重、提升续航力。」

碳化矽的优势显著，但其发展仍面临挑战。首先，其长晶较传统矽晶体慢，且需在2,500˚C的高温环境下，大大提高制程复杂度与成本。再者，碳化矽晶体的生长过程中，难以即时观察其缺陷，使得缺陷控制成为一大挑战，也进一步推高碳化矽的价格。此外，市面上碳化矽可靠性数据相对有限，需要更多实际应用和测试来验证其长期稳定性，也是目前业界未全面采用的主因。

相比传统以矽基半导体为主的功率元件，碳化矽具备高效率、高耐压、高温稳定性等优势，是电能转换效率提升的关键。

减轻整车重量　延长续航力

工研院专注于电动车核心技术，特别是马达驱动、车载充电和充电桩系统，开发完整的「车载碳化矽技术解决方案」，将碳化矽技术应用于高功率模组、马达驱动器与车载充电系统中，打造更轻量且高效的「心脏」系统。数据显示，将马达驱动器从传统的矽基元件转换为碳化矽元件装置后，体积可缩减50%以上，降低的车重直接回馈在省电，延长续航力、降低里程焦虑。

此外，工研院采用创新的散热技术，将传统的散热鳍片设计改良为水浪状流道结构，使散热效率提升10%至20%。不仅减少散热装置的面积，还缩小马达驱动器的体积，进一步优化车内空间，实现更有效的电控系统配置，机电整合后比传统分散式系统又可再节省10%以上的电能消耗。碳化矽的高操作频率，也使其在高达50kHz甚至上百kHz的情况下运行，远超过矽基材料的20kHz，系统所需被动元件减少，使整体体积进一步缩小。

「然而，高频操作也容易产生严重的电磁干扰、引发电磁相容性问题」，张道智指出，为应对这些挑战，工研院在功率模组中加入感测元件与电磁干扰抑制元件，并使用烧结铜取代传统的烧结银，进一步降低成本，提升产品的可靠性，延长车载电力系统的使用寿命。

技术突围助台湾进军国际

2023年，欧盟联合多家一线（Tier 1）汽车制造商和二线（Tier 2）半导体公司，组成研发联盟，致力于提升碳化矽功率半导体的可靠性与使用寿命，目标将电动车电力系统寿命从现有的5年延长至15年。工研院在元件与功率模组寿命预测技术上拥有丰富经验，也获邀参与该计划，显示台湾的技术实力逐渐受到国际重视。

张道智强调，虽然台湾在车用半导体的起步较晚，但在电动电力系统关键零组件上有一定的技术优势。此外，许多关键技术仍掌握在英飞凌、意法半导体等国际大厂手中，但凭借创新设计，台湾正逐步突破这些限制。例如，工研院针对电动车行驶中的震动问题，设计出创新的弹片设计，有效减少功率模组内部的应力，提升其耐用性，这项技术已申请专利并获得多家国际厂商的肯定。

碳化矽技术的突破，让台湾在电动车零组件领域实力大增，未来在全球电动车市场中将占有更重要地位。工研院的「车载碳化矽技术解决方案」不仅是台湾技术力的展现，更有机会指引未来电动车技术发展的方向。