Tesla減少碳化矽用量　替代方案有解

近期外電及本地媒體大幅報導Tesla宣告將減少電動車中碳化矽（SiC）元件的使用量，並造成了幾家SiC供應商頓時股票大跌，包括Wolfspeed、意法（STM）、安森美（Onsemi）及英飛凌（Infineon）等。

接下來隨即即有專家開始討論，Tesla是如何達到減少75%的SiC用量？半導體功率元件跟摩爾定律最大的不同在於，IC每進入一個新的製程節點，面積就會縮小一半，功率元件遠遠做不到。

於是就有不同的組合被提出來，包括由原先的平面式（planar）SiC MOS電晶體，改為先進的溝槽式（trench）電晶體；或者因為電動車的電池系統要由400V改為800V，SiC MOS耐壓也要由650V挺進到1200V，由於電流可以減少一半，SiC MOS晶片面積得以等比例減少。

但是，再怎麼算也到不了減少75%。最後只得加上馬達所需功率的減少，才勉強可以湊足。可是Tesla同時又宣布，未來馬達設計不使用稀土元素，這使得馬達效率的提升更形困難。

Tesla此舉的目的是要降低成本，以建構與其他競爭者的障礙。但不論就使用溝槽式或1200V SiC MOS，的確晶片面積是可以減少，製程卻變複雜，實際成本下降反而有限，再加上這些都是所有競爭對手知道的趨勢，因此這會是個假議題嗎？

在提出個人解答之前，筆者想先談一下製造產業的學習曲線。

陳良榕先生在友刊的文章中提到，張忠謀在德儀（TI）及台積電，就是利用學習曲線創造出與競爭對手的差距，這在以製造為導向的產業是非常的重要。試想一個資本攤提完成的半導體廠，不僅成本最低，良率最好，同時單位的產出也最多，而新進競爭者，還在學習曲線的初期，是看不到台積電的車尾燈。Tesla現在也是利用所經歷學習曲線的優勢，來創造競爭優勢，而逆變器（inverter）所使用的SiC MOS就是個可以發揮的項目，因為價格不斐。

個人的淺見認為，Tesla是使用Si IGBT（insulated-gate bipolar transistor；絕緣柵雙極性電晶體）取代SiC MOS，並使用SiC二極體（Schottky diode），作為IGBT所需的飛輪二極體（freewheeling diode；FWD）。

電晶體分為兩類，一為雙極性（bipolar），另一為單極性（unipolar），也就是MOS。雙極性電晶體中電流與電壓之間的關係是指數函數（exponential），而MOS電晶體電流與電壓是1～2次方關係。所以雙極性電晶體在輸出電流驅動的能力是大於MOS，但是雙極性電晶體是靠輸入電流來工作，MOS則依靠絕緣柵極的電壓來動作，故雙極性電晶體比較耗電。

IGBT的誕生即結合此二者優勢，在輸入端使用絕緣柵極（insulated-gate），而輸出保留高輸出電流的特性（bipolar）。

逆變器主要的應用在於將電池的直流電轉換為三相交流電，用以驅動馬達。電晶體在此是作為電路的開關，MOS因為是對稱的元件結構，可以處理逆向流過的電流。但是IGBT的元件結構不對稱，需要額外並聯1個FWD。

以SiC二極體作為FWD，可以大幅提升其效率，同時IGBT的高輸出電流能力，也可以提高逆變器的轉換效率。

Tesla在Model 3使用SiC MOS之前，也是使用Si IGBT以及Si FWD，現在只需將Si FWD改為SiC。IGBT的缺點在於操作頻率較低，無法高溫操作，且耐壓不如SiC MOS，但這些在現行電動車系統，皆非嚴重問題。

由於二極體電流與電壓的關係也是呈指數函數變化，再加上現行Tesla每一相開關是使用2顆SiC MOS並聯，筆者估計在相同輸出電流條件之下，使用SiC二極體的晶片面積，應該可以是 SiC MOS面積的25%。而二極體是製程最簡單的半導體元件，也最便宜，所以在SiC的費用上可以下降到原先的10～15%。只是還須加上個Si IGBT，因此總成本可為原先的30-40%。

Tesla擁有別家車廠沒有的學習曲線，要拉大與競爭者的差距，如果筆者是Elon Musk，選擇Si IGBT加上SiC二極體的排列組合，降低SiC整體用量。

圖為羅姆（Rohm）半導體的Hybrid IGBT。