台达电子与罗姆在电源领域合作的真正目的 利用SiC／GaN功率半导体实现减碳和数码化
- 黎思慧／台北
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现代社会有两大趋势。它们是减碳（GX）和数码化（DX）。为了同时推动这些趋势，电源技术和功率半导体技术的演进和融合至关重要。秉持此一目标，全球最大的电源制造商台湾台达电子，与专注于功率半导体的罗姆结成合作关系。电源技术和功率半导体技术的未来会是如何？台达电子副董事长柯子兴先生和罗姆CTO立石哲夫先生接受访问内容如下：
现今电源和功率半导体比过去任何时候都吸引了更多的关注。是什麽原因？
柯副董事长（以下称为 柯）：目前新技术和新应用不断出现。特别是AI（人工智能）的快速普及产生了重大影响，为了提高AI服务器的效能，GPU的功耗正在快速增加。另一方面，要实现减碳，就必须降低AI服务器的耗电量。我们该如何对应这些相互冲突的要求？
我们在2023年10月于美国加州圣荷西所举行的2023 OCP Global Summit，提出了针对这项挑战的答案。台达将原本输出为3kW的模块（module）输出功率提高到5.5kW，效率提高到97.5%。真正满足GPU新技术和AI新应用对电源的要求。
当然，GPU和AI服务器的需求将继续变得更加复杂。为了对应这一趋势，需要电源技术和功率半导体技术的进一步的进展。这需要电源制造商和功率半导体制造商之间的合作。特别重要的是「第三代功率半导体」。第三代功率半导体有二种类型，一种是目前广泛使用的SiC（碳化矽）功率半导体，另一种是即将普及的GaN（氮化镓）功率半导体。随着这些技术的发展和普及，它们将能够有效提高电源性能，同时减少功率损耗。我们相信可以为实现减碳和数码化做出贡献。
另外关于功率半导体呢？
立石CTO（以下称为 立石）：碳中和可能是功率半导体吸引如此多关注的原因。目前石化能源是主流，但必须紧急转型为新能源。主要选项包含了太阳能发电和风力发电，但两者都需要进行电力转换，让产生的电力可供家庭、工厂、办公室等使用。这正是电源和功率半导体的作用。
此外，随着汽车的电气化程度不断提高，其中不可或缺的功率半导体重要性也日益增加。尤其是第三代功率半导体受到了极高的关注。因为它能够带来重大的技术变革。使用SiC／GaN功率半导体可将电源效率提高约5%。5%对于一般消费者来说可能很小，但从业界人士的角度来看，这无疑是一次革命性的演变。
寻找下一个应用市场是普及SiC功率半导体的关键
请您介绍一下第三代功率半导体之一的SiC功率半导体目前开发现况及未来展望。
柯：SiC功率MOSFET比Si功率MOSFET具有更高的击穿电压，并且可以在比IGBT更高的频率下工作。此外它还具有优异的高温性能。因此SiC功率MOSFET在电动车（EV）应用中取得了相当的成果。
然而，为了在电动车领域迈出下一步，我们必须要找到能够彻底利用SiC功率MOSFET优势的应用市场。电动车的优势在于体积更小、重量更轻，这对一般消费者来说很容易理解。下一个应用趋势还需要为消费者提供足够的价值来加以实现。目前正在考虑的包括电动车充电站和再生能源的大型电力储存设备。这是因为它处理大量的电力并且需要大容量的电源。
立石：目前我们正在努力扩大SiC功率MOSFET的生产，并计划在2030年将产能比2021年增加35倍。当然，其他公司也在增加产能，但仍无法满足电动车的需求。未来5年，几乎所有生产的SiC功率MOSFET将仅运用于牵引逆变器等电动车相关应用。
然而，我不知道10年后会发生什麽事。到那时，我们需要开发新的应用市场。我对EV下一个应用市场的想法与副董事长相同。问题是采用它是否有任何优点。
在价格和技术面留下的课题
有人指出，SiC功率MOSFET的价格仍然较高，这会成为阻碍其广泛运用的因素吗？
柯：重要的是SiC功率MOSFET的价格不是单纯的太高或太低，而是从一般消费者的角度来看其附加价值是否值得额外花费。例如，使用在电动车上，即使支付额外费用，车身也会更轻，行驶距离也会更长。如果是这样的话，相信一般消费者都会接受。
使用SiC功率MOSFET将使一个重量50kg的设备减轻至30kg，并缩小尺寸。如果是家用的话，可能会有附加价值。然而，工业和FA应用往往安装在比较大的空间，对小型化的需求并不大。换句话说，小型化不会增加价值。SiC功率MOSFET的普及不能只单从成本来看，也需要从应用市场的角度来做评估。
目前 SiC 功率 MOSFET 还存在哪些技术问题？
立石：仍然存在许多技术问题。例如，SiC功率MOSFET具有优异的高频特性。这是一个优点，但也导致运用起来很困难。牵引逆变器由六个开关组成，但每个开关并非仅使用一个SiC功率 MOSFET来运作，需要将多个元件并联连接。如果发生这种情况，除非模块化，否则它将变得非常难以运用。这是因为相互干扰而容易引起振荡。
要防止振荡就需要高度复杂的电路布局设计，这是极为困难的。因此，我们建立了一个支持系统。我们在德国设有「电源实验室」，在日本设有「SSE（System Solutions Engineering）总部」来支持客户的设计工作。
没有可在MHz下使用的磁性零件
接下来请您介绍GaN功率半导体的普及现况及未来展望。
柯：GaN HEMT 在电源产业引起了广泛关注，但过去5年的发展并未达到预期。不得不说，我很失望，尤其是在需求发展和技术演进方面。
原因是我们无法找到能够充分利用GaN HEMT特性的应用市场。GaN HEMT的优点是可以在高频下工作。它还可以在高达3MHz或更高的频率下工行，而不是数百kHz。目前还不存在以如此高的频率工作的电源供应器（小型DC-DC转换器除外）。
立石：为什麽电源正在向更高频率发展？这是因为电源中最大的元件是被动元件，也就是电容和电感（线圈）。透过增加频率，这两个可以变得更小。
柯：但目前高频率有二个课题待解决。一是没有适合1M至3MHz运作的电源控制器IC。然而，对于半导体制造商来说，克服这项挑战是相对容易的。另一个问题与电感和线圈等磁性元件有关。现实情况是，适合高频工作的磁性元件尚未投入实际运用，解决方案目前看起来也暂时无法实现。
立石：正如副董事长所说，目前的电感和电容的高频特性尚有待解决的课题，当频率超过1MHz时，它们的表现就不再理想。由于这种背景，目前很难在MHz频段来运作GaN HEMT，但它们仍有被运用。换句话说，GaN HEMT的性能仍无法充分发挥。
然而，透过提高耐压，可以在不提高太多频率的情况下发挥GaN HEMT的实力。因此，AC适配器开始采用650V耐压产品，并且逐渐被广泛使用。
关于GaN HEMT 的下一个应用市场，有具体进展的是哪些？
柯：电动车的车载充电器和服务器电源的可能性较高。例如，GaN HEMT可用来缩小服务器电源的尺寸，减少它们在数据中心所占用的空间。无论如何，为了运用在这些应用中，必须要尽快解决电源控制IC和磁性元件的课题。
立石：随着频率的增加，安装GaN HEMT的电路板的寄生电感会产生干扰，导致其无法正常运作。因为GaN HEMT可以说是很「不守规矩」的。如果按照与Si功率MOSFET相同的方式进行设计，就会出现各种问题。因此，我们计划以SiP（System in Package）的形式，把GaN HEMT和一个驱动器IC放入同一个封装中。这样运用起来会比较方便。
柯：除了高频之外，GaN HEMT的一个重要关键字是封装。如果使用Discrete形式的 GaN HEMT进行设计，将会遇到驱动和杂讯等问题。因此，电源设计人员无法处理高频驱动，最终只能使用较低频率。这就无法充分发挥GaN HEMT的特性。GaN HEMT 应透过SiP的形式来提供。
透过具有相似公司文化的协力合作，共同迈向下一步
台达电子与罗姆于2022年4月起建立了合作关系。它的主要目的是什麽？
柯：我个人非常尊重罗姆这家公司。这是因为二家公司的文化和使命非常相似，工程师的精神也很相似，而且都建立了以技术为本的产品开发系统。此次合作关系与GaN HEMT有密切相关。GaN HEMT尚未找到杀手级应用，但它正在稳步发展。我们已经将使用GaN HEMT的交流电适配器商业化，品牌名称为「Innergie」，有45W和67W的产品可供选择。下一步是将其应用于3kW输出的服务器电源，未来我们希望能将其整合到车载充电器中。
然而，高频率的课题仍然存在，我们想与罗姆一起解决这个问题。透过共同开发利用封装技术的SiP，我们一定会找到能够利用GaN HEMT优势的应用市场。
立石：找到适合的GaN HEMT杀手级应用非常重要。如果应用现有的技术，可以获得很高的附加价值。我想找到这样一个应用市场，并从行销的角度来看待它。
另一方面，我们也需要从技术角度来支持找出那些杀手级应用。GaN HEMT的设计和开发是与罗姆投资的台达电子合资子公司：台湾Ancora Semiconductor所共同进行的。电路设计方面，我们拥有内部开发电源控制器IC的系统。然而我们无法独自优化包括变压器在内的整个电力系统。这是因为电源系统具有多种电路拓扑和控制架构。作为电源控制器IC的开发商，我们是否能够满足电源设计者创造出这种电源规格的期望？可能彼此间存在着差距。电源控制器IC无法完全支持电源设计人员想要尝试做到的事情。
在与台达电子的合作中，我们希望从电源系统层面进行后续开发工作。如果您可以定义电源系统，我们就拥有可将其转换为IC的技术。然后，利用SiP缩小产品尺寸并及时推到市场中。这样就可以有效找出那些杀手级应用。
