Tesla减少碳化矽用量　替代方案有解

近期外电及本地媒体大幅报导Tesla宣告将减少电动车中碳化矽（SiC）元件的使用量，并造成了几家SiC供应商顿时股票大跌，包括Wolfspeed、意法（STM）、安森美（Onsemi）及英飞凌（Infineon）等。

接下来随即即有专家开始讨论，Tesla是如何达到减少75%的SiC用量？半导体功率元件跟摩尔定律最大的不同在于，IC每进入一个新的制程节点，面积就会缩小一半，功率元件远远做不到。

于是就有不同的组合被提出来，包括由原先的平面式（planar）SiC MOS晶体管，改为先进的沟槽式（trench）晶体管；或者因为电动车的电池系统要由400V改为800V，SiC MOS耐压也要由650V挺进到1200V，由于电流可以减少一半，SiC MOS芯片面积得以等比例减少。

但是，再怎麽算也到不了减少75%。最后只得加上马达所需功率的减少，才勉强可以凑足。可是Tesla同时又宣布，未来马达设计不使用稀土元素，这使得马达效率的提升更形困难。

Tesla此举的目的是要降低成本，以建构与其他竞争者的障碍。但不论就使用沟槽式或1200V SiC MOS，的确芯片面积是可以减少，制程却变复杂，实际成本下降反而有限，再加上这些都是所有竞争对手知道的趋势，因此这会是个假议题吗？

在提出个人解答之前，笔者想先谈一下制造产业的学习曲线。

陈良榕先生在友刊的文章中提到，张忠谋在德仪（TI）及台积电，就是利用学习曲线创造出与竞争对手的差距，这在以制造为导向的产业是非常的重要。试想一个资本摊提完成的半导体厂，不仅成本最低，良率最好，同时单位的产出也最多，而新进竞争者，还在学习曲线的初期，是看不到台积电的车尾灯。Tesla现在也是利用所经历学习曲线的优势，来创造竞争优势，而逆变器（inverter）所使用的SiC MOS就是个可以发挥的项目，因为价格不斐。

个人的浅见认为，Tesla是使用Si IGBT（insulated-gate bipolar transistor；绝缘栅双极性晶体管）取代SiC MOS，并使用SiC二极管（Schottky diode），作为IGBT所需的飞轮二极管（freewheeling diode；FWD）。

晶体管分为两类，一为双极性（bipolar），另一为单极性（unipolar），也就是MOS。双极性晶体管中电流与电压之间的关系是指数函数（exponential），而MOS晶体管电流与电压是1～2次方关系。所以双极性晶体管在输出电流驱动的能力是大于MOS，但是双极性晶体管是靠输入电流来工作，MOS则依靠绝缘栅极的电压来动作，故双极性晶体管比较耗电。

IGBT的诞生即结合此二者优势，在输入端使用绝缘栅极（insulated-gate），而输出保留高输出电流的特性（bipolar）。

逆变器主要的应用在于将电池的直流电转换为三相交流电，用以驱动马达。晶体管在此是作为电路的开关，MOS因为是对称的元件结构，可以处理逆向流过的电流。但是IGBT的元件结构不对称，需要额外并联1个FWD。

以SiC二极管作为FWD，可以大幅提升其效率，同时IGBT的高输出电流能力，也可以提高逆变器的转换效率。

Tesla在Model 3使用SiC MOS之前，也是使用Si IGBT以及Si FWD，现在只需将Si FWD改为SiC。IGBT的缺点在于操作频率较低，无法高温操作，且耐压不如SiC MOS，但这些在现行电动车系统，皆非严重问题。

由于二极管电流与电压的关系也是呈指数函数变化，再加上现行Tesla每一相开关是使用2颗SiC MOS并联，笔者估计在相同输出电流条件之下，使用SiC二极管的芯片面积，应该可以是 SiC MOS面积的25%。而二极管是制程最简单的半导体元件，也最便宜，所以在SiC的费用上可以下降到原先的10～15%。只是还须加上个Si IGBT，因此总成本可为原先的30-40%。

Tesla拥有别家车厂没有的学习曲线，要拉大与竞争者的差距，如果笔者是Elon Musk，选择Si IGBT加上SiC二极管的排列组合，降低SiC整体用量。

图为罗姆（Rohm）半导体的Hybrid IGBT。