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工業能源智慧化

 

* 市場切入點
 
國際能源總署(International Energy Agency, IEA)分析,以馬達為驅動核心的產業設備是工業應用的主要電力消耗來源;其中,工具機(Machine Tool)、幫浦、空壓機與風機等通用設備能耗占全球用電量高達50%。我國工業部門占整體用電量53%,其中70%為馬達所消耗,因此透過工業馬達節能是達成減碳目標的有效方法。由於勞動力不足,工廠自動化需求日益提高,印度與中國大陸積極推動智慧製造,帶動工具機與機器人需求成長,其中9成將採用伺服馬達。市調機構預測,全球伺服馬達與驅動器系統市場規模將自2016年的102.6億美元成長至2022年的159.2億美元,CAGR 6.25%,亞洲市場占40%,其次為歐洲30%與美國20%。
 
目前工控伺服馬達主要為日系及歐系大廠所掌控,以中國大陸市場(2018)為例,日本松下、安川電機與三菱電機等三大廠市占率高達38%以上,其次為Siemens、Schneider、Rexroth等歐系廠商(10%以上),值得關注的是中國大陸本土廠商包含匯川技術(5%)、埃斯頓(2.5%)與禾川(1.7%)市占率持續擴大,已對我國主要業者包括台達電子(7.5%)、東元電機、光寶科技、士林電機、大銀微系統造成威脅,亟需新技術導入,強化市場競爭力。
 
此外,為因應各國減碳政策,安川電機、三菱電機與德國Beckhoff已開始採用氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)與碳化矽(Silicon Carbide, SiC)功率元件設計新一代節能伺服馬達產品,系統能耗減少70%,大規模擴產與新技術引進,大幅壓縮我國業者生存空間。
 
GaN與SiC等寬能隙(Wide Band Gap)功率半導體元件/模組可提供更高轉換效率、更高崩潰電壓與熱傳係數;以SiC為例,其能隙達3 eV,可承受電壓梯度為矽功率元件的8倍,磊晶厚度僅需1/10,摻雜濃度提升2倍,在高溫操作環境下漏電流與可承受電流密度均遠高於矽功率元件,大幅降低特定負載下開關損耗和傳導損耗,可提供電力電子系統更高效率、更小尺寸及更輕重量,有效降低對冷卻系統的依賴,有助於實現工業能源智慧化設計。
 
台達電子、富田電機、士林電機、東元電機、光寶科技、上銀與大銀微系統為我國工業伺服馬達指標業者,然其驅動器相關產品均採用Infineon、三菱電機與富士電機等國際大廠功率模組進行設計,不易帶動國內功率半導體產業成長。看好寬能隙功率半導體市場潛力,漢民採用集團作戰方式,垂直整合瀚薪(元件設計)、嘉晶(磊晶)與漢磊(晶圓製造)搶攻SiC與GaN晶圓代工與離散元件品牌市場;光寶集團則是整併旗下達爾科技與敦南科技,投入SiC功率元件與模組開發。整體而言,我國系統廠殷切企盼關鍵半導體元件/模組落實國產自製,以擺脫國際大廠箝制,降低生產製造成本,只要能克服品質與可靠度等困難點,我國具高性價比優勢的半導體產業將可逐步走出自己的路,在國際舞台上發光發熱。
 
* 技術特性
 
馬達驅動消耗全球50%以上的工業用電,因此傳動系統(Powertrain)能源效率提升成為低碳製造一大關鍵挑戰,全球半導體製造商更致力強化功率元件效能。目前傳動系統多採用矽基絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)驅動器,但在開啟狀態下容易因飛輪二極體反向恢復的換流現象導致電壓過衝,造成額外的功率損耗;而幫浦、風扇和伺服驅動等工業應用均為24小時運轉,導入低反向恢復電流的SiC功率模組,設計新一代驅動器與傳動系統可大幅降低能耗,提升能源使用效率。
 
台達電子與士林電機等伺服馬達廠均開始評估,導入SiC功率模組於新一代低功耗驅動器產品設計;除此之外,控制器精準度亦是影響馬達效率的關鍵因子,但編碼系統單晶片、電流感測晶片與控制晶片等關鍵半導體元件技術仍為國際大廠所掌握,需盡快落實國產自主,方能強化臺製伺服馬達之市場競爭力。
 
目前國內各廠商紛紛整合前述關鍵零組件,投入開發各種不同規格與應用的伺服電機驅動器(Servo Motor Driver),且不同廠商所設計的驅動器都擁有不同的優勢與特點,但不可忽視其出廠前如何確保馬達驅動器的穩定性、安全性、可靠度,因此性能與安全各方面測試成為開發過程重要的一環。整合國內伺服電機(Servo Motor)、驅動器、寬能隙功率元件業者研發能量,合作開發高精度控制器關鍵元件、寬能隙智能功率模組與驅動器,補足產業缺口,落實全國產自主,並透過差異化設計與高性價比提升市場競爭力,將伺服電機市占率由15%提高至20%以上,形成綠色製造經濟鏈,帶動研發投資與產值成長。全球皆已利用驅動器控制馬達來達到節能,但完整的驅動器測試或驗證方法仍不足,驅動器測試方法不足也間接影響上述關鍵零組件規格提升的延遲,將來我國的產業機械與其他國家不易產生差異化,產業競爭力也將逐漸流失。
 
此外,油泵動力系統是塑膠射出成型機的關鍵次系統模組,需要各領域產品及技術互相搭配才能有機會達到塑膠射出成型機液壓油的精準壓力與流量控制需求。其中驅動器功能與周邊組件整合度的完善更是重要的指標,精密的壓力-流量(Pressure-Quantity, PQ)控制,以降低壓力曲線的震盪,達到快速穩定。但國內產業在油壓動力系統零組件產品開發採用實體驗證上測試,也就是在射出成型機上一邊找油路,一邊推測是否油泵內洩,常以試組裝之方式進行油泵樣品之開發,多停留在單機組裝測試,射出機系統性能與可靠度皆無法掌握,不斷的試誤,耗時、浪費人力與金錢。為確保油壓動力系統整合在設備系統上可以順利運作,利用間接於動力平台上測試之方式,相較直接在射出成型設備系統上驗證,可約略節省10%的驗證時間。油電射出成型機為目前最耗能的產業設備,更需要搭配高階驅動器,包含高能效的功率半導體,再次提升整體節能效益。對於產品與設備的整合測試分析能量需要進一步投入,協助產業再升級。
 
* 產業帶動性與應用效益
 
經多次拜訪國內橡塑膠機械、工具機、伺服電機與產業鏈業者進行調研結果發現,主要產品為綜合加工機與車床,其動力來源為伺服電機,並透過感測器與編碼器(Encoder)達成高精度控制。然而高精度控制器用編碼系統單晶片、感測器晶片與控制器晶片等關鍵元件,以及馬達驅動用功率模組仍掌握在Broadcom、Infineon、三菱電機與富士國際大廠手中。看好SiC半導體元件市場,台積電在南科晶圓六廠規劃車用等級大電流SiC元件代工服務,漢民集團繼2013年成立瀚薪科技投入功率元件設計,又於2015年合併嘉晶投入SiC磊晶代工,旗下漢磊科技則啟動6吋SiC元件量產線建置,持續擴大SiC事業布局,逐步落實集團內垂直整合。繼瀚薪之後,敦南科技、尼克森微電子與朋程科技亦積極跨足SiC功率元件設計,產業鏈逐步成型。國內台達電、東元、士電等伺服電機廠每年採購關鍵元件/組件金額超過新臺幣百億元,需盡快落實進口取代,以高性價比提升國內產業市場競爭力,並帶動半導體產值成長。
 
更新日期:2020-11-05

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