390期2024年11月號
出版日期:2024/11/15
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碳化矽帶動電動車效能新突破
撰文/賴宛靖
電動車是淨零運輸的主流,要減碳還要兼顧續航力,碳化矽(SiC)技術成為焦點。工研院發展「車載碳化矽技術解決方案」,提升功率密度,有效減輕車輛重量,讓車輛更省電,延長電動車續航力,降低駕駛者的里程焦慮,期能在車輛電動化時代,延續臺灣車用零組件產業的競爭優勢。
「全球電動車市場處於快速增長期,隨之而來的是充電需求,開始出現充電基礎設施不足、搶充電樁的現象;想解決駕駛們的里程焦慮,就須提高充電效率及減輕車重。」工研院電子與光電系統研究所組長張道智表示,電動車的電池模組、電動馬達及相關控制系統都很重,為安全承載電池與馬達,車體結構也需加強,一般電動車比燃油車重高出20%到50%,連帶影響續航力。」
碳化矽具高效率、高耐壓、高溫穩定性
碳化矽是種寬能隙化合物半導體材料,能在高電壓、高溫的操作環境下保持穩定,尤其適用於高功率轉換器等功率元件。碳化矽的熱導率是傳統矽基材料的2至3倍,散熱能力更佳,更能提升元件性能和可靠性。相比傳統以矽基半導體為主的功率元件,具備高效率、高耐壓、高溫穩定性等優勢,是電能轉換效率提升的關鍵。
張道智進一步解釋,「電動車的電池輸出的是直流電,而馬達使用的是交流電,傳統的絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)的轉換效率約為95%,損耗5%;碳化矽則可將轉換效率提升至97%,降低能量損耗,也減少對散熱裝置的需求,可減輕車重、提升續航力。」
碳化矽的優勢顯著,但其發展仍面臨挑戰。首先,其長晶較傳統矽晶體慢,且需在2,500˚C的高溫環境下,大大提高製程複雜度與成本。再者,碳化矽晶體的生長過程中,難以即時觀察其缺陷,使得缺陷控制成為一大挑戰,也進一步推高碳化矽的價格。此外,市面上碳化矽可靠性數據相對有限,需要更多實際應用和測試來驗證其長期穩定性,也是目前業界未全面採用的主因。
減輕整車重量 延長續航力
工研院專注於電動車核心技術,特別是馬達驅動、車載充電和充電樁系統,開發完整的「車載碳化矽技術解決方案」,將碳化矽技術應用於高功率模組、馬達驅動器與車載充電系統中,打造更輕量且高效的「心臟」系統。數據顯示,將馬達驅動器從傳統的矽基元件轉換為碳化矽元件裝置後,體積可縮減50%以上,降低的車重直接回饋在省電,延長續航力、降低里程焦慮。
此外,工研院採用創新的散熱技術,將傳統的散熱鰭片設計改良為水浪狀流道結構,使散熱效率提升10%至20%。不僅減少散熱裝置的面積,還縮小馬達驅動器的體積,進一步優化車內空間,實現更有效的電控系統配置,機電整合後比傳統分散式系統又可再節省10%以上的電能消耗。碳化矽的高操作頻率,也使其在高達50kHz甚至上百kHz的情況下運行,遠超過矽基材料的20kHz,系統所需被動元件減少,使整體體積進一步縮小。
「然而,高頻操作也容易產生嚴重的電磁干擾、引發電磁相容性問題」,張道智指出,為應對這些挑戰,工研院在功率模組中加入感測元件與電磁干擾抑制元件,並使用燒結銅取代傳統的燒結銀,進一步降低成本,提升產品的可靠性,延長車載電力系統的使用壽命。
技術突圍助臺灣進軍國際
2023年,歐盟聯合多家一線(Tier 1)汽車製造商和二線(Tier 2)半導體公司,組成研發聯盟,致力於提升碳化矽功率半導體的可靠性與使用壽命,目標將電動車電力系統壽命從現有的5年延長至15年。工研院在元件與功率模組壽命預測技術上擁有豐富經驗,也獲邀參與該計畫,顯示臺灣的技術實力逐漸受到國際重視。
張道智強調,雖然臺灣在車用半導體的起步較晚,但在電動電力系統關鍵零組件上有一定的技術優勢。此外,許多關鍵技術仍掌握在英飛淩、意法半導體等國際大廠手中,但憑藉創新設計,臺灣正逐步突破這些限制。例如,工研院針對電動車行駛中的震動問題,設計出創新的彈片設計,有效減少功率模組內部的應力,提升其耐用性,這項技術已申請專利並獲得多家國際廠商的肯定。
碳化矽技術的突破,讓臺灣在電動車零組件領域實力大增,未來在全球電動車市場中將占有更重要地位。工研院的「車載碳化矽技術解決方案」不僅是臺灣技術力的展現,更有機會指引未來電動車技術發展的方向。
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