寬能隙半導體正在重塑整個運輸產業的面貌

整個運輸產業正在經歷劇烈轉型，內燃引擎 (ICE) 車輛正逐漸由較少污染的油電混合車和更環保的大眾運輸解決方案 (火車、飛機、船隻) 取而代之。運輸產業需要採用能夠最大程度提升效率和降低環境影響的解決方案，以遏制溫室氣體 (GHG) 排放並減緩全球暖化。

寬能隙 (WBG) 半導體具有多個對於運輸應用而言極具吸引力的特性。採用寬能隙半導體可製造出外型輕巧、效率更高且速度更快的車輛，同時還可提升行駛距離和降低環境影響。

寬能隙材料特性

寬能隙材料具有眾多超越常見矽 (Si) 材料的優點，使得電力電子元件領域正快速轉型。矽的能隙為 1.1 eV；寬能隙材料的能隙為 2 至 4 eV。此外，大部分寬能隙半導體的臨界崩潰電場遠高於矽。這代表寬能隙半導體可在更高的溫度和電壓下運作，提供更高的功率位準和更低損耗。表 1 列出碳化矽 (SiC) 與氮化鎵 (GaN) 這兩種最常用寬能隙材料與矽相較之下的主要特性。

表 1：比較 Si、SiC 和 GaN 的特性。

相較於矽型元件，SiC 功率元件主要優勢如下：

• 低切換損耗：SiC MOSFET 為單極元件，具有極低的開啟與關閉切換損耗。這種特性可提升切換頻率並降低損耗，從而減少採用被動元件與磁性元件
• 低傳導損耗：SiC 元件未具備雙極性接面，因此亦可降低輕負載或部分負載運作期間的損耗
• 提高工作溫度：碳化矽提供比矽更優異的散熱性。SiC 可在寬廣溫度範圍下達成低漏電流，因此可在超過 200°C 的溫度下運作。這種特性有助於簡化散熱工作並提供優越的熱管理
• 本質本體二極體：歸功於這種特性，讓 SiC MOSFET 可在第三象限二極體模式下運作，並於電源應用領域提供卓越效能

綜合上述特性，可取得具備更高功率密度、效率、工作頻率，以及更小覆蓋區的 SiC 元件。

相較於 Si 和 SiC 元件，GaN 功率元件主要優勢如下：

• GaN 可在無逆向復原電荷的情況下於第三象限運作，即使未具備本質本體二極體亦然。因此不需要使用反向並聯二極體

• 低閘極電荷 Q_G 與導通電阻 R_DS(ON) 可提供更低的驅動損耗與更快的切換速率
• 零逆向復原電荷可降低切換損耗和減少 EMI 雜訊
• 高 dv/dt：GaN 可在極高頻下切換，與具備類似 R_DS(ON) 的 SiC MOSFET 相較之下，開啟速度快上 4 倍，關閉運作速度則快上 2 倍

寬能隙元件應用

如圖 1 中所強調，SiC 與 GaN 針對某些應用領域可提供最佳效能，而針對其他應用領域則特性與矽無異。GaN 元件有時為適合高頻率應用的最佳選擇，而 SiC 元件在高電壓下具備極高潛力。

圖 1：Si、SiC、GaN 元件的潛在應用。(資料來源：Infineon)

油電車與電動車

油電車與電動車使用數種電力電子元件系統，將電網或引擎能源轉換為適合給馬達與輔助裝置供電的形式。大多數油電車與電動車還會使用再生煞車，其中車輪會轉動發電機為電池充電。

牽引逆變器為上述車輛的重要元件，其可將電池發出的 DC 高電壓轉換為 AC，為三相馬達提供電力 (參見圖 2)。由於涉及高功率因素，此應用領域偏好採用額定值為 650 V 或 1.2 kV 的 SiC 元件，取決於逆變器拓撲而定。SiC 有助於降低損耗、尺寸和重量，適合採用小型尺寸的解決方案。

圖 2：油電車與電動車主要元件。(資料來源：ROHM Semiconductor)

板載充電器 (OBC) 連接至電網，可將 AC 轉換為 DC 電壓來為電池充電。板載充電器輸出功率通常介於 3.3 kW 至 22 kW 之間，並仰賴高電壓 (600 V 以上) 的功率元件。SiC 與 GaN 皆適合此應用領域，但 GaN 具備諸如高切換頻率、低傳導損耗以及更輕重量更小尺寸等特性，因此成為實作板載充電器的理想解決方案。

低電壓 (LV) DC-DC 轉換器為油電車與電動車寬能隙的另一個應用領域，其可將電池電壓 (油電混合車為 200 V，電動車為 400 V) 降至輔助系統供電所需的 12 V/48 V DC 電壓。低電壓轉換器的一般功率低於 1 kW，可使用 GaN 和 SiC 元件達到更高頻率。

表 2 摘要說明 Si、SiC 和 GaN 何以符合先前述及的油電車與電動車應用領域需求。

表 2：油電車與電動車寬能隙應用以及與 Si 效能比較。

鐵路運輸

電車會透過電車線或第三電軌自電網取得電力，然後將電力轉換為適用於馬達和輔助系統的形式。若列車在 AC 線路運作，變壓器和整流器必須將電壓降低並調節至 DC。隨後系統會透過逆變器來分離和傳送 DC 電壓，以滿足輔助與牽引系統的需求。

牽引逆變器會將 DC 轉換為 AC 來為馬達供電，並重新調節再生煞車產生的電力。因此，這種轉換器是專為能源雙向流動所設計。相反地，輔助逆變器是專為散熱系統、乘客舒適以及其他非運動相關需求之供電所設計。

牽引逆變器內部的電力電子元件大小係取決於列車類別：

• 運輸列車：1.2 kV 至 2.5 kV
• 通勤列車：1.7 kV 至 3.3 kV
• 城際列車：3.3 kV 以上

不過，大部分列車採用 3.3 kV 或 1.7 kV。

再生煞車會將部分電力傳回至當地電網、鐵軌配電系統或能源儲存，因此系統複雜度高於先前述及的應用領域。再生能源必須立即儲存或使用，否則便會消失。

單極矽型 MOSFET 與二極體可取代在鐵道牽引應用領域傳統上用於電源模組的雙極矽型 IGBT 和飛輪二極體，因此可提升切換頻率和功率密度。

必須減少導通與切換損耗，並提升最高接面溫度，以減少鐵道牽引應用領域所用電力電子元件設備的重量與體積。針對廣泛採用的雙極矽功率元件，增加導通損耗與減少切換損耗具有相反的效果。與雙極元件不同，單極元件不會在導通與切換損耗間進行權衡。因此，在將導通損耗降至最低的同時，也可以減少切換損耗。

寬能隙電力電子元件可大幅降低電軌的功率損耗，因此可減少從電網消耗的能源，並透過再生煞車傳回更多能源。除了提高效率外，寬能隙元件還可提供一般認為有助於鐵路運輸的以下額外優點：

• 減少重量對於運作效率產生顯著影響
• 提高工作溫度使散熱系統更為輕巧
• 提高切換頻率可縮減被動元件尺寸，進而減少牽引與輔助逆變器的重量。具備更高切換頻率，讓逆變器與馬達能更快速回應各種需求變化，進而提高運作效率。最後，由於較高頻率下產生的雜訊較低且可關閉散熱風扇，因此可降低止車裝置在列車出現時產生的音量。

航海與航空應用

航海產業長時間受益於電力電子元件創新技術。在船艦上會透過柴油引擎供電的同步發電機產生中電壓 AC 級電力，以針對各種負載供應電力。在這之中主要包括推進驅動器 (混用 AC-DC 與 DC-AC 轉換器) 與其他負載。

航海產業近來傾向嘗試採用 DC 配電網路來取代 AC 配電。此解決方案可在各種速度下運作並節省燃料，因此無須同步發電機來執行 AC 配電。另一方面，其需要在 AC 發電機與 DC 配電網路之間導入整流器電路 (AC-DC 轉換器)。

航海推進變速驅動器為重要的船艦元件，其必須具備極高的運作可靠性。其額定值經常在數瓦至數十兆瓦之間變動。這些驅動器經常是船艦 AC 配電網路中最重要的電力轉換區塊，因此具備優異效率為其中的關鍵所在。

不僅如此，傳統的矽型功率元件正逐漸由 SiC 和 GaN 元件所取代，原因在於可提高效率同時減少尺寸和重量。寬能隙元件將會在不久之後取代矽型元件成為業界領導材料，提供矽晶技術無法實現的先進電力電子元件系統解決方案。

在未來，採用燃料渦輪機驅動的電力發電機將成為油電混合與全電動航空推進系統的主要推動者。往後的電力電子元件將會用於連接發電機與馬達。需要採用極高 DC 電壓匯流排以確保提供充足的電力。這些匯流排的電壓範圍可介於適合小型車輛的數 kV，或是適合飛機的 MV 不等。不僅如此，高 DC 電壓匯流排支援使用永磁同步機器作為發電機，其可降低無功功率與電力電子元件額定值。由於更快的發電機轉速可使濾波器元件更加輕巧，因此電力轉換器需要可在高切換頻率下運作的元件。

碳化矽是最具前景的半導體元件，其符合所有要求並可確保高轉換效率。針對處於低功率範圍的飛機，新建立的 3.3 kV 與 6.5 kV SiC MOSFET 元件引起了廣泛討論。這些元件也可使用於模組化電力轉換器拓撲，以符合大型飛機的較高電壓／功率要求。

結論

碳化矽 (SiC) 及氮化鎵 (GaN) 等寬能隙半導體具備數種超越傳統半導體的優勢，其可在低功率損耗下運作於高電壓與高溫環境。這些特性使其特別適合在各種應用領域中使用的電力電子元件，包括運輸。

運輸產業採用寬能隙半導體來開發更具效率可靠的電動車及油電混合車。寬能隙半導體的功率損耗較低，可提高切換頻率、減少電力電子元件的尺寸與重量。這種特性進而能夠增加車輛行駛距離、加快充電時間和增進整體效能。

寬能隙半導體還有助於開發更加輕巧且更具效率的具效益的傳動系統，包括電動車與油電混合車的馬達驅動器以及逆變器。車輛設計人員可透過縮減這些元件的尺寸和重量來為其他元件釋出空間，或是增進車輛的整體空氣動力。

除了電動車與油電混合車外，寬能隙半導體還可用於其他運輸工具，例如飛機和火車。除了上述應用領域外，寬能隙半導體的高溫與高電壓能力可提升電力電子元件的效率和可靠性，進而降低操作成本並改善安全性。