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第三代半導體減少耗損 淨零碳排利器

本文共1446字

經濟日報 吳志毅

2050淨零碳排已成為全球共識,隨著歐盟正式宣告2026年全面實施碳邊境調整機制(CBAM),規範碳密集產品需購買憑證方得進入歐洲市場。蘋果與谷歌等大廠亦開始要求供應鏈符合溫室氣體排放規定,目標2030年落實碳中和製造。台灣產業型態以製造出口為導向,碳稅實施勢必造成衝擊,化合物半導體可大幅減少電能轉換過程中耗損,是台灣實現淨零碳排,維持製造業競爭優勢的新利器。

化合物半導體可用於電動車動力系統及風電系統,也是推進節能減碳的關鍵技術,吸引全球...
化合物半導體可用於電動車動力系統及風電系統,也是推進節能減碳的關鍵技術,吸引全球大廠爭相投入。工研院/提供

國際能源署(IEA)在2021年發布「2050淨零碳排:全球能源部門路線圖」,即指出欲達成2050淨零碳排目標,需要在2030年前全力導入各項潔淨技術,包含大幅擴增再生能源裝機量(太陽能630百萬瓩/年;風力發電390百萬瓩/年),並將全球電動車銷售占比由2021年5%提高至60%以上。

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許多電力損耗發生在輸送或轉換過程。以台灣為例,台電一年因電力輸送所導致損耗即高達95億度,幾近核三廠七成發電量;而電動車亦需經由功率半導體元件將電池輸出的直流電轉換成交流電,方能驅動馬達,進入行駛狀態,採用傳統矽基功率半導體元件進行電能轉換,大約會產生8%電力損耗。

而碳化矽與氮化鎵等化合物半導體元件,能將電能轉換效率由92%提高至95%以上,提升電動車續航力與再生能源發電效率,成為節能減碳的利器。

為落實關鍵技術自主,經濟部技術處以「化合物半導體先進製造技術研發與關鍵應用發展計畫(化合物半導體計畫)」及「大功率電力轉換系統研發計畫」,支持工研院投入電動車與再生能源應用碳化矽功率半導體技術。

根據美國能源部研發藍圖,2025年電動載具驅動系統之電力電子功率密度需提高至100 kW/L,代表體積需大幅微型化,必須以化合物半導體取代矽功率半導體方能達成。為克服續航力的問題,奧迪、保時捷、現代、起亞與比亞迪等車廠均著手將系統電壓由400V提高至800V,除快充時間減少50%,亦可經由散熱設計簡化達成車體輕量化,進一步提升續航力,預計2025年成為電動車主流電壓架構。

科技專案之「化合物半導體計畫」主要投入耐電壓1.7kV碳化矽功率元件(金氧半場效電晶體,SiC MOSFET)與模組開發,除以特殊溝槽式結構設計降低元件特徵導通電阻,亦藉由電性、熱傳、應力整合分析與高品質封裝測試,完成電動車馬達驅動與充電裝置應用碳化矽功率模組與系統電路參考設計,目標將電能轉換效率提升至98%以上,且計畫執行過程持續就國際大廠專利布局進行檢索分析與迴避設計,可直接技轉國內業者導入生產製造,加速供應鏈在地化。

為降低碳稅帶來的衝擊,維持台灣製造業優勢,政府推動再生能源發展,帶動關鍵零組件技術研發與自製。即太陽能與風力發電等再生能源屬於分布式電力系統一環,需經由多階電能轉換方能饋入市電或連接裝置使用,且功率達MW等級的再生能源系統,任何電能轉換損耗都可能產生大量廢熱。

導入化合物半導體可減少能耗,進而提升電力系統穩定度。政府以「大功率電力轉換系統研發計畫」投入耐電壓3.3kV碳化矽功率模組與轉換效率達97%之2.5MW高壓併網型電力轉換系統,開發經完整測試驗證後,技轉國內功率模組封測與電力電子系統導入生產製造,加速離岸風電關鍵半導體組件與電力轉換系統國產自製,帶動產業鏈成形。

目前關鍵功率半導體技術仍受美歐日等國掌控,政府已使用多項政策工具,支持產、學、研等投入化合物半導體技術研發,並採母雞(系統業者)帶小雞(化合物半導體業者)發展策略,加速實現供應鏈在地化,未來將進一步帶動半導體總產值成長。(作者是經濟部技術處化合物半導體元件關鍵技術計畫主持人)

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