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 智能应用 影音
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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

台达电子副董事长与罗姆CTO日前进行深度对谈。ROHM
台达电子副董事长与罗姆CTO日前进行深度对谈。ROHM

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:

功率半导体为何受到关注?

台达电子Delta Electronics副董事长 柯子兴先生。ROHM

台达电子Delta Electronics副董事长 柯子兴先生。ROHM

罗姆株式会社 高端执行董事 CTO立石 哲夫 先生。ROHM

罗姆株式会社 高端执行董事 CTO立石 哲夫 先生。ROHM

台达电子与罗姆在电源领域合作,利用SiC/GaN功率半导体实现减碳和数码化。ROHM

台达电子与罗姆在电源领域合作,利用SiC/GaN功率半导体实现减碳和数码化。ROHM

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。