Wolfspeed：實現高能效及耐用性並兼具成本最佳化的系統

碳化矽 (SiC) 技術是功率元件市場和廣泛的半導體產業中成長最快的領域之一。碳化矽做為矽的優秀新世代更替產品，能夠有效滿足電動車動力系統、電動交通、再生能源系統、電池儲能系統和人工智慧資料中心等高功率應用增長的需求。

與矽相比,碳化矽的主要優勢之一是卓越的材料特性,例如較高的崩潰電壓和導熱率，讓製造商在體積越來越小的電力電子系統中達到更高的功率密度。尤其碳化矽元件改善電源轉換效率與且操作溫度範圍更大使其特別適合資料中心電源、太陽能/再生能源逆變器、電動車牽引逆變器和電源供應器使用。

碳化矽材料和元件的領先製造商 Wolfspeed 已推出 Gen 4 碳化矽 MOSFET 技術平台，旨在改善開關行為以及高功率設計中常見的設計挑戰。Gen 4 平台提供除了750V、1200V和 2300V 等級，並規畫 Wolfspeed 產品長期發展路線，包括電源模組、分離元件和晶片產品。

「身為職業工程師，我深深體會到，讓一項元件或技術擁有全新或更好的品質因素，是多麼令人振奮的事。能夠解決那樣的問題，正是驅使幾乎所有工程師和科學家努力的動力。」Wolfspeed Power 副總裁兼研發主管 Adam Barkley 博士表示：「身為 Wolfspeed 的技術開發主管，我的任務是確保所投資研發的技術，協助客戶切實地解決現實中遇到的應用難題。我們全新的 Gen 4 技術讓我深感驕傲，客戶可以直接見證其系統性能上的突破，設計上開關波形和效率曲線有進一步改善。」

他表示，Gen 4 是市場上首款採用全自動化 200mm 針對大規模生產進行開發的技術平台。更重要的是，Wolfspeed 不僅著重在提升其中的質量因素(FoM)，而是讓 Gen 4 平台能夠解決工程師開發時必須面對的三個關鍵問題：耐用性、整體系統效率和降低系統成本。

Barkley 博士指出：「我們專注於在這三個面向達成實質改善，因為我們知道每位客戶的設計或開發週期會受限於上述其中一個，亦或是全部要求。」Adam Barkley 在公司任職將近 15 年，曾擔任過各種應用工程、裸晶研發和封裝開發的相關職務，而且透過其親身經歷，深切瞭解功率系統設計每日遭遇的真實挑戰，並且擁有克服這些挑戰的熱忱。

新一代效能

Wolfspeed 的 Gen 4 碳化矽 MOSFET 平台專為全面提升系統效率和延長應用壽命而設計，即使在最嚴苛的環境中也表現出色，同時可以降低系統成本和縮短開發時間。Barkley 博士表示，他們專注於改善特定的質量因素和元件效能規格來達到上述目標。

「讓我說明幾個例子。」他解釋道：「為了提高系統耐用性，我們選擇盡可能最大化短路承受時間，讓設計工程師擁有額外的安全裕度。某些車規上的應用需要讓系統達到其最大安全操作範圍(SOA)，在其使用壽命中需於極短時間內操作在過負載或超過規格的條件下。對於這些特定的應用案例，我們將裸晶產品之合格標準提高為 185°C 下可以連續運作，以及最高可達 200°C 運作條件。」

新世代柔性恢復體二極體透過減少 27% 的 V[g1]DS[/g1] 過衝來提高開關切換速度並減少損耗和振鈴。除此之外，它還可以在逆向恢復情境中將 EMI 降至最低，且無需犧牲寄生二極體的恢復電荷，進行簡化 EMC 合規流程，並可以採用小型化、成本更低的 EMI 濾波器。

Adam Barkley 表示：「我必須提到我們在宇宙射線抗擾性方面所獲得的進展，與 Wolfspeed Gen 3 元件相比，其失效率 (FIT) 改善了 100 倍。」他也補充說明，在正常開關操作下, 也顯著提升整體效率。

「我們的 Gen 4 產品改善硬切換和軟切換應用的傳導損耗。硬切換應用的開關損耗最多可以降低 15%。這些改進與透過平台出色的 175°C RDSON來降低傳導損耗是同步達成的成果，進一步強化 Wolfspeed 對於在操作條件下保持卓越效能的承諾。」

Wolfspeed Gen 4 平台的主要應用廣泛。據 Barkley 博士指出，這項技術會成為 Wolfspeed 的全新基礎，支持應用最佳化之功率模組、分立器件與裸晶解決方案的長期研發藍圖。

「這項技術讓我們的客戶擁有真正的彈性，可以要求針對其特定應用需求提供最佳化並優先考慮效能優勢的產品，而不必因為開發平台的限制而必須做出艱難的取捨。無論是要開發的電源產品是提供給電動車、馬達驅動器、儲能、人工智慧資料中心或是再生能源應用使用，我們認為使用 Gen 4 平台都能讓您擁有優勢。」

解決產業挑戰

Wolfspeed 的 Gen 4 技術旨在解決客戶在耐用性、效率和系統成本方面的挑戰。Wolfspeed 認為耐用性和可靠性為兩回事，並以真實範例說明。

Adam Barkley 解釋道：「可靠性基本上是能夠一致地通過一系列產業定義的標準化測試。耐用性則截然不同。現實生活中有兩個很好的例子：第一個例子是建築農業，OEM 正在電氣化，但他們必須應對一些具有挑戰性的作業環境。Wolfspeed 與一家 OEM 合作，而這家 OEM 知道北半球北部的採收季節是其電氣化營建設備的積極運作時期，而且必須耐受得住急劇下降的氣溫。基本上，當春季和夏季再次來臨時，工人回到農地工作時，他們必須能夠相信其碳化矽逆變器在平常溫度為 -40°C 的地方使用過一段時間後，仍然能夠再次啟動。考慮到設備在搬動土壤時的沉重工作負荷，測試要求非常嚴格。這是電力電子製造商的好機會來謹慎思考其關鍵 MOSFET 可靠性與在不同溫度下的主要電氣效能需求，因為室溫資料表對照已不足以應付許多這類應用的需求。」

另一個例子與不斷電系統 (UPS) 有關。一個Wolfspeed 製造UPS的客戶因為人工智慧產業加速而在技術上受到衝擊。

Barkley 博士表示,「他們在擴大架構前,先重新設計正在營運的資料中心的內部空間配置，在某些情況下，他們必須考慮移動其 UPS 的實體位置，以便騰出空間來放置伺服器機架。我們都知道資料中心的冷卻非常重要，這也是碳化矽元件適合用來製造電源供應器的原因之一。」

他指出客戶開始探索功率元件的硫磺耐受性，因為他們知道有些電源供應器必須移動到建築物中硫含量較高的位置，來優化資料中心空間配置。Adam Barkley 表示：「我不相信這樣的情況只會發生一次。例如，高流量區域常用的橡膠地板硫含量可能較高，並可能導致故障。當然，各國的空氣品質可能大不相同，並含有大量的硫。」

「雖然 -40°C 的溫度似乎並不十分可怕，但與標準客用電動車相比，具有完全不同駕駛特徵和操作情境的營建車輛需要更高等級的耐用性，這樣或多或少改變了創新的動力。資料中心不但要應付冷卻要求，而且在某些情況下，還要透過創意方式安排 UPS 的放置空間，因此也必須應對新的挑戰，使得耐用性更顯重要。」

「所幸碳化矽在材料等級上的固有特性比矽更耐用，但是當我們瞭解電力電子如何讓終端系統能夠（或不能夠）在具有挑戰性的環境中運作，且在終端產品的整個使用期限中無需負擔過多的維修費用時，我們的客戶開始提出更多有趣的想法或要求。我認為電力電子產業目前所看到的耐用性需求不過是『冰山一角』，能夠推動這項變革令人振奮。」

與矽材料相比，碳化矽的關鍵優勢之一是效率更高。另一個凸顯這項特性的例子是電動車充電基礎設施。車輛電氣化已成勢不可擋的全球趨勢，但為了促進電動車的採用，電動車充電產業現在面臨客戶要求大幅縮短充電時間的期許，希望充電時間可以接近汽車加油的時間。

傳統快速充電器座約 20-25kW。「因為基礎設施有限，所以還有一項明顯的限制。企業無法單純將充電器尺寸加大一倍來增加充電能力。」Adam Barkley 表示。「我們有一位客戶使用 Gen 4 碳化矽功率模組，在充電器體積與規格尺寸不變的情況下讓功率加倍。他們現在只改變了一項設計元素，即換成使用我們的碳化矽元件，便可以升級成 60kW 快速充電轉換器。所以，是的，碳化矽毫無疑問地能夠提高應用的效率。我們也認同這是客戶想要的使用方式：實現最大效率並維持規格尺寸，或維持原有效率並縮小規格尺寸，或兩者的某種組合。我們希望讓客戶自行決定最適合自己的效率「甜蜜點」，而我們的工作是提供工具並幫助最大化他們的系統效能。」

最後，在企業轉換使用新技術的過程中，成本仍然是成敗的關鍵。對於 Wolfspeed 而言，重點在於協助客戶使用更耐用的系統讓維護成本降至最低、移轉至新的架構和平台來縮短生產時間和設計週期，以及減少被動元件的數量或大小/重量來降低物料清單 (BOM) 成本。

EPC Power 就是一個很明顯的例子，它與 Wolfspeed 合作，創造出業界首款可處理各種功率和電壓等級的公用事業規模組串式逆變器。

「EPC Power 與我們合作之初，便明確表示想要建立一個低維護率、容易維修且可大規模生產的新系統，以快速進行全球部署。我只探討這次成功的合作關係的其中一個面向。解決其設計挑戰的關鍵是在其新款 M 逆變器中使用全新發佈的 2300-V Wolfspeed Wolfpack 模組。這項變更讓逆變器從典型的三級架構轉變至簡化的兩級電力轉換系統，降低柵極驅動器數量與逆變器控制的複雜性。此外，這項解決方案將系統設計從舊有的匯流排改為成本較低的 PCB，大幅降低開發時間及成本。」Adam Barkley 解釋道。

他也補充道，同時有另一位客戶成功讓其設計的碳化矽淨佔用空間減少 30%，而且不需要在系統性能上妥協，對於系統成本、重量和規模均有正面的影響。

事實上，隨著業界共同努力減少幾乎所有垂直市場（包括工業、資料中心和移動相關等）的碳排放量，電力電子領域有越來越多人改為使用碳化矽一寬能隙 (WBG) 元件。

這對 Wolfspeed 而言是一大利多。目前，其採用 Gen 4 技術的零件組合提供 24 種不同的零件號碼，其規格尺寸、電壓節點和封裝選項均不相同，適合幾乎所有電力電子應用。在接下來的 18 個月，公司的整個產品組合都會推出採用 Gen 4 技術的產品，而且針對個別應用最佳化。

該文章發表在 EE Times 平臺。