【導讀】氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是寬禁帶（WBG）半導體材料，由于其獨特性，使其在提高電子設備的效率和性能方面起著至關重要的作用，特別是在DC/DC轉換器和DC/AC逆變器領域。
氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是寬禁帶（WBG）半導體材料，由于其獨特性，使其在提高電子設備的效率和性能方面起著至關重要的作用，特別是在DC/DC轉換器和DC/AC逆變器領域。
對于GaN而言，與硅相比，它具有優異的電子遷移率和更高的擊穿電壓，能在高溫、高電和高頻下工作，其優勢主要體現在三個方面：
? 一是GaN器件的導通電阻和開關損耗很低，在功率轉換過程中將具有更高的效率；
? 二是GaN器件因其更高的功率密度而實現了緊湊的設計，非常適合小型化應用；
? 三是GaN晶體管可以實現更快的開關轉換，從而減少開關損耗。
在DC/DC轉換器中，GaN器件提高了降壓/升壓轉換器等電壓轉換器的效率，尤其適合電動汽車和數據中心等應用。在DC/AC逆變器應用中，GaN器件同樣大幅提高了系統的能量轉換效率。
SiC是另一種寬禁帶半導體，以其高溫穩定性和優異的電特性而聞名，具體優勢包括：SiC器件可在較高的電壓水平下運行，無需在電力系統中進行復雜的電壓堆疊配置；較低導通電阻意味著使用SiC器件的電源系統其傳導損耗的減少和效率的提高；此外，SiC可以承受極端溫度，非常適合在要求苛刻的環境中部署。
GaN和SiC半導體的優點，包括降低的開關和傳導損耗、耐高溫性、緊湊的尺寸和更高的電壓處理能力，如此的優勢可以直接轉化為功率轉換系統性能的提高。這些改進帶來了更高的電源效率，意味著會有更大比例的輸入功率被轉化為有用的輸出功率，以及更高的功率密度，從而能夠開發出更小、更強大、更節能的電子系統。這些好處在電動汽車、可再生能源系統、工業自動化和鐵路行業等應用中尤為顯著，而在這些應用中，空間、重量和能源效率均是關鍵考慮因素。
SiC和GaN器件兩大主力應用
電源是所有電子系統的重要組成部分，從手持電子產品到大型工業設備，而小型化和提高能源效率是這些行業永恒的主題。
SiC和GaN在該領域的應用首推數據中心和汽車。這是因為：
數據中心
數據中心需要緊湊的電源解決方案和極高的能效，能效對于極大限度地降低運營成本以及減少熱量和冷卻所需的空間非常重要。SiC肖特基二極管和GaN HEMT是實現高效緊湊的服務器電源的重要部件。基于GaN HEMT的電源通過提供更高的固有轉換效率和使用更小的電感器和電容器來達成這一目標。在大型數據中心中，常常通過減少交流/直流轉換的次數來提高配電效率，故而高壓直流電源的使用不斷增加，SiC器件的特性恰好滿足這種類型的應用。
汽車
汽車是另一個在重量和空間上面臨挑戰的領域。隨著電動汽車和混合動力汽車市場的增長，高效的能源轉換變得更加關鍵，將具有更高性能的系統經濟高效地集成到重量更小、效率更高、體積更小的能源系統中的壓力越來越大。
GaN和SiC功率模塊可以幫助實現電動汽車和混合動力汽車系統的許多設計目標，從發動機和動力傳動系到車輛導航和控制，再到駕駛控制臺和信息娛樂，從提高效率和功率密度中受益的汽車應用遍布整個車輛。用低損耗SiC器件代替逆變器中使用的硅器件將使逆變器高效輕便，從而延長電動汽車的行駛里程并降低電池負載能力。此外，具有高耐壓和高頻操作的SiC器件還是電動汽車快速充電器和非接觸式電力傳輸的極佳選擇。
圖：用SiC MOSFET代替逆變器級中的硅基IGBT和二極管，可以提高效率、減小外形尺寸、降低冷卻要求（圖源：STMicroelectronics）
值得注意的是，數據中心和電動汽車只是電源解決方案實現創新設計的兩個領域。智能工廠、智能辦公室、智能家居和智能電網都可以從寬禁帶GaN和SiC技術提供的更高的功率轉換效率和卓越的功率密度中受益。
影響電動汽車的市場走向
通過克服電動汽車固有的一些局限性，SiC和GaN技術正在成為電動汽車和混合動力汽車成功的關鍵。與傳統的硅器件相比，SiC和GaN器件提供了一系列優異的功能，包括較低的損耗、較高的開關頻率、較高的工作溫度、在惡劣環境中的魯棒性和較高的擊穿電壓。
2008年，SiC MOSFET的商業化標志著功率半導體市場的一個重大轉折點，代表了其幾十年來的首次重大發展。
目前，SiC被配置為專為多種電動汽車應用而設計的關鍵技術，如牽引逆變器、車載充電器（OBC）和DC/DC功率轉換器。IDTechEx在分析了Si IGBT、SiC MOSFET和GaN HEMT的采用情況之后發現，2023年SiC逆變器約占純電動汽車市場的28%，預計到2035年，市場規模將增長到360億美元。
電動汽車中的電力牽引電機逆變器，是電氣化推進系統中的關鍵部件。逆變器的主要功能是將直流電壓轉換為三相交流波形，以驅動汽車發動機，然后將再生制動產生的交流電壓轉換為直流電壓，為電池反向充電。為了驅動電動機，逆變器需將存儲在電池組中的能量轉換為交流電，因此轉換階段的損耗越低，系統的效率就越高。
SiC器件擁有比硅器件更高的導電性和更高的開關頻率，大幅減少了逆變器的功率損失。如今，許多電動汽車制造商開始將SiC功率模塊集成到主逆變器中。SiC MOSFET具有較小的外形尺寸，還可以減小配套無源元件的尺寸，例如牽引逆變器中的電感器。與使用硅作為等效產品相比，采用SiC作為電動汽車逆變器可以將其尺寸減小約5倍，重量減輕約3倍，功耗縮減一半。通過使用SiC MOSFET，可以在降低電池容量的情況下獲得相同的續航里程。例如，通過在逆變器中將Si IGBT切換到SiC MOSFET，BEV的續航里程可以增加約7%。
開始時，SiC MOSFET和更大的電池僅用于具有更長續航里程的高端電動汽車。隨著設施的快速擴大，性能、可靠性和生產能力等方面的障礙得到了解決，大幅降低了SiC MOSFET的成本。盡管SiC MOSFET的平均價格仍然是同等Si IGBT的3倍，但其優異的特性使其成為眾多頭部車企所采用的解決方案，目前，SiC MOSFET正在成為電動汽車電源系統的首選技術。根據IDTechEx的預測，得益于更高的效率和更高電壓平臺的采用，主要是在逆變器、車載充電器、DC-DC轉換器中的應用，在2023年至2035年期間，SiC MOSFET的需求將增加10倍。
由STMicroelectronics提供的SCT011H75G3AG，是汽車級750V碳化硅功率MOSFET，采用公司第三代SiC MOSFET技術，在整個溫度范圍內具有非常低的RDS(on)，約為11.4mΩ，結合低電容和非常高的開關操作，在頻率、能效、系統尺寸和重量減輕方面提高了應用性能，優化了電動汽車的系統尺寸和重量，可有效延長車輛的里程范圍。基于SiC 的 800V電動汽車平臺電驅系統可實現更快的充電速度，同時降低了電動汽車的重量。
針對下一代電動汽車電驅系統的關鍵部件逆變器的需求，STMicroelectronics再次優化了其SiC MOSFET技術，并在今年宣布公司第四代SiC技術問世。基于第四代技術的SiC產品有望在能效、功率密度和穩健性三個方面成為新的市場標桿。STMicroelectronics新的SiC MOSFET產品有750V和1200V兩個電壓等級，可分別提高400V和800V電動汽車平臺電驅逆變器的能效和性能。由于其導通電阻 (RDS(on))明顯低于前幾代產品，開關速度更快，開關損耗更低，這些參數對于高頻應用至關重要，因此可實現更緊湊、更高效的電源轉換器。以25℃時的RDS(on)為參考，第四代器件的裸片平均尺寸比第三代器件減小12-15%。
圖：采用第三代SiC MOSFET技術的汽車級產品SCT011H75G3AG（圖源：STMicroelectronics）
電動汽車充電系統又稱OBC，為電動車必備的充電設備，負責將市電的交流電轉為直流電對電動車電池進行充電。由于WBG半導體的擊穿電壓要高得多，而導通電阻又非常小，有助于簡化OBC的設計并提高了充電電路的效率。
在典型的電動汽車OBC中，SiC二極管已獲廣泛使用。采用GaN技術的OBC設計可以簡化冷卻系統，減少充電時間和能量損失。雙向OBC允許電動汽車作為能量庫或其他用途的能源，并幫助穩定電網內的負載。基于GaN和SiC器件的OBC實現了先進的雙向拓撲結構，同時優化功率轉換器配置。
GaN HEMT是一種新興技術，具有關鍵的效率優勢，可能是電動汽車市場的下一個主要顛覆者。雖然SiC MOSFET和GaN HEMT之間存在相當大的應用重疊，但兩者都將在汽車功率半導體市場占有一席之地。
Infineon的GS66516B是650V增強型氮化鎵晶體管（650V GaN E-HEMT），采用的GaNPX封裝可實現小型封裝中的低電感和低熱阻，RDS(on)僅為25m?，可為要求苛刻的高功率應用提供極低的結至外殼熱阻，在車載OBC中實現非常高效的功率變換。
圖：可用于電動汽車OBC的650V GaN E-HEMT（圖源：Infineon)
未來的數據中心電源單元將融合三種半導體類型
SiC和GaN等化合物半導體正在為我們的生活開辟新的可能性。在大型數據中心，高壓直流電源的使用正在增加，因為它可以通過減少交流/直流轉換的次數來提高配電效率。根據當前的技術，SiC肖特基二極管和GaN HEMT無疑是數據中心使用的高電壓和高效率電源的強有力技術支撐，它們可有效地實現高效緊湊的服務器電源。
近期，Infineon推出了一系列專門為人工智能數據中心設計的先進電源單元（PSU），這些功率從3KW到12KW不等的PSU利用新的WBG半導體技術實現了極高的效率。該PSU使用混合開關方法，集成了三種類型的半導體，包括SiC、GaN和Si，以優化性能。
? SiC因其較低的RDS（on）溫度系數而用于無橋圖騰柱功率因數校正（PFC），提高了高溫下的效率。
? GaN晶體管用于高頻全橋諧振轉換器（LLC），因為它們的電容較低，能夠實現更高的開關頻率和更高的功率密度。
? Si器件用于開關損耗極小的地方，提供低RDS（on）。
其中的關鍵組件包括CoolSiC MOSFET（650V）、CoolGaN晶體管（650V）、CoolMOS 8 SJ MOSFET（600V）、ColdSiC肖特基二極管（650V）和OptiMOS 5功率MOSFET（80V）。該PSU實現了98%的基準效率，降低了冷卻要求，提高了整體系統可靠性。
圖：AI數據中心8kW PSU解決方案系統方框圖（圖源：Infineon）
SiC和GaN器件未來應用全景展望
硅IGBT開關頻率的絕對上限為100kHz。SiC將頻率增加了一個數量級，達到約1MHz，而GaN可以提高十倍，達到10MHz。SiC和GaN均屬WBG半導體，由于GaN的帶隙比SiC更寬，理論上，SiC的效率優勢可能會被GaN超越。
然而，這只是故事的一面，GaN在電力電子領域的應用存在較大障礙。
首先，對于超高開關頻率，工程師需要解決多種技術問題，如EMI（電磁干擾）、柵極控制、寄生效應、熱效應和增加的開關損耗。
其次，在器件級別，SiC MOSFET和GaN HEMT實際上非常不同。GaN器件通常生長在硅基板上，雖然硅基板的成本比SiC和藍寶石等替代品低得多，但它限制了GaN器件的潛力，將其限制在橫向配置和低電壓下，使其無法在電動汽車的牽引逆變器中使用，因為電動汽車通常在600V-1200V和數百千瓦下運行。
盡管GaN功率器件在商業水平上似乎略落后于SiC，但由于其卓越的效率性能，它們正在迅速獲得市場份額。IDTechEx在其“2025-2035年電動汽車電力電子：技術、市場和預測”報告中指出，GaN在汽車低壓輔助電子產品中占有很大的市場份額，這些電子產品不僅存在于電動汽車中，也存在于輕度混合動力汽車和內燃機汽車中。
SiC和GaN技術在推動電動汽車和充電基礎設施普及，提供更長的行駛里程和更短的充電時間方面發揮了主導作用。未來的電動汽車將通過使用GaN和SiC的戰略組合來釋放其全部潛力并滿足日益增長的市場期望。雖然SiC可能仍然是高壓下的首選技術，但電動汽車可以利用GaN器件在較低電壓下的優勢來提高功率密度和效率。使用SiC和GaN來滿足電動汽車設計要求現已成為下一代汽車設計的標準，未來十年，人們可以期待Si、SiC和GaN在電動汽車電力電子生態系統中共存。
同樣，人工智能服務器數據中心的電源系統也將受益于SiC和GaN帶來的技術優勢。據GMI的預測，2023年，SiC和GaN功率半導體市場的價值為22.4億美元，預計2024年至2032年的復合年增長率將超過25%。在市場上，能效和降低功耗是推動采用的關鍵優勢。
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