全球吹起節能減碳風 Hybrid MOS、SiC備受市場關注
2013/11/19-賴姿侑 在天然資源逐漸被消耗殆盡,以及溫室效應愈來愈嚴重,導致電力使用成本提高的狀況下,不僅各種廠商紛紛推出各種節能商品,全球政府也希望藉由推廣節能標章的方式,讓消費者能購買具備省電特性的商品。正因為如此,根據日本富士經濟的研究報告預估,在消費市場對IGBT、MOSFET等元件需求大增的趨勢下,從2012到2020年電源轉換元件將會有高達80%的成長,畢竟若能降低AC/DC電源轉換損耗,有助於改善地球暖化的速度。
全球首創Hybrid MOS 可解決傳統電源元件缺點
在高電壓設備中,MOSFET、IGBT是最常被使用的電源開關元件,MOSFET在低電流、高頻率(50kHz以上)的環境下使用時,因具備導通電阻非常低的優點,可避免無謂的能源損耗。不過,該產品也有缺點存在,當在大電流及高溫環境下時,會導致導通電阻大幅上升,能源轉換效率變差的問題。
至於IGBT特性則剛好與MOSFET相反,在大電流、低頻率(50kHz以下)的環境下,擁有電源轉換損失非常少的優點,但在低電流或者高頻率的狀況中,則會導致電源轉換損失變高。所以目前廠商在設計商品或設備時,會依照產品使用的環境,以及所使用的頻率高低與電流大小,選擇MOSFET或IGBT元件。
ROHM半導體應用技術支援部課長蘇建榮表示,隨著應用情境不斷改變,有些設備必須得在高頻率、大電流的環境下運作,所以無論使用MOSFET、IGBT時,會出現導通電阻便高會變差,或者電源轉換損失變高的情形,導致商品或設備的能源使用效率欠佳。為了解決此種問題,我們便推出具備兩者特性的Hybrid MOS。
ROHM半導體推出的Hybrid MOS兼具MOSFET、IGBT的優點,在低電流環境中保有MOSFET元件的優點,能夠具備比較好的電源轉換效率。一旦商品進入大量電流模式時,則會擁有與IGBT元件相同的優點,可能在大電流與高溫的環境下,可減少導通時的損耗。日本已經有不少家電廠商開始將ROHM的Hybrid MOS解決方案,應用冷氣機等高耗能的商品中,希望能夠提高冷氣機的能源使用效率。
事實上,ROHM不僅能提供Hybrid MOS解決方案,為提升MOSFET的轉換效率,也有採用Trench Gate構造的Super Junstion MOSFET,相較於傳統Planner構造可降低50%以上的導通損失,可以讓商品的能源轉換效率更佳。
SiC技術成熟 價格已經符合市場期待
長久以來,MOSFET、IGBT幾乎都是以常見的矽(SI)為材料,儘管生產成本較低,卻也限制了元件可以承受的電壓值,Si- MOSFET最大耐壓約為900V左右,而IGBT雖可承受到1,200V以上,卻也僅限於大電流的條件,不適於低電流與高頻的設備。
其實多年來為了改善Si MOSFET對高溫環境適應能力不佳的缺點,有不少廠商開始投入SiC(Silicon Cardide,矽化碳)的研發,因為和傳統材料矽相比,絕緣破壞強度提升了10倍,熱傳導率則提高3倍,這代表以材料開發的元件,具備溫度變異性低的特性,非常適用於高溫環境的操作條件使用。
尤其,採用SiC技術生產的電源轉換元件如SiC MOS,功率損耗大約只有Si-MOS的十分之一以下,只不過長期以來受限於生產技術上的限制,SiC元件價格遲遲無法降低,導致廠商採用SiC SBD、SiC MOS的使用意願不高。
「SiC元件要普及關鍵在於價格,而這個問題已經被ROHM克服。」蘇建榮解釋:「由於我們擁有自己的晶圓廠,所以近幾年來在克服相關技術之後,也就是透過較先進的制程,降低SiC-SBD、SiC-MOS的生產成本,以符合市場對元件價格的期待。」
事實上,SiC元件應用模式也從過去的小電力產品,到目前已經延伸到高耗能的設備上,現在已經有不少廠商在研發1,000V以上的設備時,如半導體設備等等,均開始用SiC MOS來取代Si MOS。另外,在一些大瓦特輸出的馬達驅動器中,若以SiC元件取代IGBT,在高頻環境中只要用小型冷卻裝置,即可解決散熱的問題,讓商品或模組的外觀可以變得更小。
此外,在環保意識的抬頭下,目前個人電腦中的電源供應器,幾乎都須通過80 PLUS的標準,目的在於提升地球能源使用效率。不過,80 PLUS標章分成銅牌、銀牌、金牌、白金、鈦金等等,不同標章代表隊能源效率的要求標準,其中符合白金、鈦金效率等級的產品,幾乎都是使用SiC SBD取代Si FRD,以符合高效率高能源轉換的要求。
蘇建榮指出,相較於傳統的Si FRD,SiC SBD擁有比較好的能源轉換效率。此外,SiC SBD若使用在高頻率的操作環境下,還可縮小高電感元件的體積,達到商品小型化的目標。
在全球吹起綠色風潮的環境下,Hybrid MOS、SiC SBD、SiC MOS不光可提高能源使用效率,還能讓製造商生產的產品,變為市場上最受歡迎的節能商品。
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