2023-09-21

第三代半導體解鎖電源測試設備

因應環保意識抬頭並在2021年於聯合國氣候變遷大會COP26 (Conference of the Parties) 共同通過新協議 "格拉斯哥氣候公約" 意旨為了避免氣候變遷危機努力將全球平均氣溫上升的幅度控制於2℃之內，因此明確表述全球各國應該減少碳排放量並目標於2050實現淨零排放也帶動了諸多響應的產業的需求不斷增加促使設備商推出新產品來獲取競爭優勢，在此舉例汽車市場中裡的電動車(EV-Car)即是眾所皆知，而電動車的產生後也帶入了充電樁的需求，因此測試設備商也進一步的針對充電樁研發符合測試規格的測試設備，接下來讓我們來對電源測試設備做進一步的應用探討。

根據調查在2019 年全球交流電源市場價值約為 10億美元，並且預計到 2024 年將達到 11億美元，CAGR(Compound Annual Growth Rate)為2.4%。市場區域分布第一大在亞洲區為55%、其二為北美地區23%、第三為歐洲區的16%、剩餘的佔市場6%。請參考圖一。由於在亞洲最大的製造測試需求下，亞洲在交流電源供應器(AC Source)銷售額中所佔份額最高(55%)。按應用劃分的市場份額第一大類在製造測試37.77%、其二為研發與設計19.08%、第三為太陽系內的人為航行活動17.73%、第四為其他類別16.82%、第五為軍事用途類8.6%。請參考圖二。

全球交流電源市場

圖一

圖二

交流電源供應器可以協助什麼？

交流電源供應器主要產生不同的電壓來對應各國不同的電源的測試需求、並且針對各國的市電產生不同的頻率、提供穩定的輸出電壓、隔離輸出、功率測量，並具有低波形失真與保護電路。

表一主要國家電力如下：

表一

市場和所需設備如表二：

表二

交流測試設備應用場景如下

在工廠端可提供較低成本直接用於測試待測物，再來就是可運用於一般研發部門、品質管理部門、可靠性測試部門，另在做燒機測試部分也可減低成本、而在自動測試系統部分只需針對機架安裝尺寸進行設置，軍用與航空航天部分可透過交流測試設備提供高功率能力，生產測試部分在電源變壓器行業與交流電機行業主要注重高浪湧電流與輸出電流折返，而交流測試設備可直接依應用端場域不同來模擬所需之功能特性 (圖三)。

圖三、可程式交流電源區塊圖

從圖四我們可得知可程式交流電源的基本架構是經由市電提供相對應的交流電源在轉換為直流電源，而只要有轉換則會造成能源損耗，而損耗的部分時間久了就會對環境產生傷害，因此1998年歐洲公布準則EN 61000-3-2法規，規定75W以上的電器必須配備功率因素校正器(Power Factor Correction；PFC)，各國也陸續跟進這項規定，如：Europe-EN 61000-3-2、UK-BSEN 61000-3-2、Japan-JIC-C-61000-3-2、China-CCC (China Compulsory Certificate)，所以在設計過程我們透過PFC提升功率因數使其趨近於1來減少能源損耗，在此 PFC其目的是提升視在功率與實際功率比。比如：60W PSU 轉換效率為80%，輸入功率大於75W時，則需要PFC（基於上述要求）。如果60W PSU 轉換功率超過81%以上，那麼輸入功率為74W，就不需要 PFC。非PFC模式中，功率因數只有0.4~0.6。PFC 模式中，功率因素可達0.95以上。在進入"直流變壓器"階段，此模塊組主要是將交流電源轉換後的直流電源做隔離後提供兩組直流電源輸出，最後再由"直流電源變換為交流電源"來輸出兩組所需的電壓與電流，並透過"數位控制模塊"來調整交流電源輸出。

圖四

在熟知其交流電源測試設備架構後，進一步對SiC(Silicon Carbide)與IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的運用領域做了解如下：

由圖五可知IGBT主要運用頻率在100KHz以下於10MW左右的產品，而SiC是在1MHz以下於10MW以下的產品，其產品運用分別在傳輸、太陽能、電動車、馬達驅動…等，並且因SiC可用作於較高頻領域因此有逐漸取代IGBT的趨勢。

圖五

SiC MOSFET 與 Silicon IGBT 工作電壓範圍：

表三

由表四材料性能比較得知SiC大多優於Si

表四

ps.

§ Critical Electric Field along c-axis for vertical power devices

ζ Bulk Mobility along c-axis

SiC MOSFET vs. Si IGBT – Inverter Level Simulation

在圖六中以負載600A來舉例SiC的切換損耗為1000W，而IGBT在同樣600A條件下切換損耗為3000W而在圖七中IGBT在500A時已到達溫升175度，而SiC則是在800A才到達。因此我們由圖六與圖七的數據可得知，SiC MOSFET在切換損失(Switching Loss)與導通損失(Conduction Loss)與溫升部分都是優於IGBT.

圖六

圖七

以目前市面上測試設備而言，SiC MOSFET產品根據各種優異表現因該全面性導入，但實則不然，其原因不外乎其一：價格太高、其二：於舊機種產品替換時需考慮其負壓電源驅動問題，但是在IGBT價格與電器特性對比下則無此問題，因此目前在測試設備需求上仍有固定的用量…而SiC Diode部分因較無電器特性上的考量，因此終端客戶只需考慮交期、價格是否可滿足視需求而導入。

在SiC模組部分因產品製程提供了較小的導通阻抗，因此在導入於電動車市場運用佔有一定的規模，但在其測試設備部分接受度還是較低的，主要因素還是在價格上。

如下表為我司Macnica支援在SiC產品上的比較表：