【導(dǎo)讀】氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，由于其獨(dú)特性，使其在提高電子設(shè)備的效率和性能方面起著至關(guān)重要的作用，特別是在DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器領(lǐng)域。
氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，由于其獨(dú)特性，使其在提高電子設(shè)備的效率和性能方面起著至關(guān)重要的作用，特別是在DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器領(lǐng)域。
對(duì)于GaN而言，與硅相比，它具有優(yōu)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(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
? 一是GaN器件的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗很低，在功率轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了緊湊的設(shè)計(jì)，非常適合小型化應(yīng)用；
? 三是GaN晶體管可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而減少開關(guān)損耗。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器中，GaN器件提高了降壓/升壓轉(zhuǎn)換器等電壓轉(zhuǎn)換器的效率，尤其適合電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用。在DC/AC逆變器應(yīng)用中，GaN器件同樣大幅提高了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
SiC是另一種寬禁帶半導(dǎo)體，以其高溫穩(wěn)定性和優(yōu)異的電特性而聞名，具體優(yōu)勢(shì)包括：SiC器件可在較高的電壓水平下運(yùn)行，無需在電力系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的電壓堆疊配置；較低導(dǎo)通電阻意味著使用SiC器件的電源系統(tǒng)其傳導(dǎo)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(huán)境中部署。
GaN和SiC半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)，包括降低的開關(guān)和傳導(dǎo)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(yōu)勢(shì)可以直接轉(zhuǎn)化為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能的提高。這些改進(jìn)帶來了更高的電源效率，意味著會(huì)有更大比例的輸入功率被轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，以及更高的功率密度，從而能夠開發(fā)出更小、更強(qiáng)大、更節(jié)能的電子系統(tǒng)。這些好處在電動(dòng)汽車、可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化和鐵路行業(yè)等應(yīng)用中尤為顯著，而在這些應(yīng)用中，空間、重量和能源效率均是關(guān)鍵考慮因素。
SiC和GaN器件兩大主力應(yīng)用
電源是所有電子系統(tǒng)的重要組成部分，從手持電子產(chǎn)品到大型工業(yè)設(shè)備，而小型化和提高能源效率是這些行業(yè)永恒的主題。
SiC和GaN在該領(lǐng)域的應(yīng)用首推數(shù)據(jù)中心和汽車。這是因?yàn)椋?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
數(shù)據(jù)中心
數(shù)據(jù)中心需要緊湊的電源解決方案和極高的能效，能效對(duì)于極大限度地降低運(yùn)營(yíng)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(shí)現(xiàn)高效緊湊的服務(wù)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(zhuǎn)換效率和使用更小的電感器和電容器來達(dá)成這一目標(biāo)。在大型數(shù)據(jù)中心中，常常通過減少交流/直流轉(zhuǎn)換的次數(shù)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(yīng)用。
汽車
汽車是另一個(gè)在重量和空間上面臨挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。隨著電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，高效的能源轉(zhuǎn)換變得更加關(guān)鍵，將具有更高性能的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效地集成到重量更小、效率更高、體積更小的能源系統(tǒng)中的壓力越來越大。
GaN和SiC功率模塊可以幫助實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)的許多設(shè)計(jì)目標(biāo)，從發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系到車輛導(dǎo)航和控制，再到駕駛控制臺(tái)和信息娛樂，從提高效率和功率密度中受益的汽車應(yīng)用遍布整個(gè)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(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程并降低電池負(fù)載能力。此外，具有高耐壓和高頻操作的SiC器件還是電動(dòng)汽車快速充電器和非接觸式電力傳輸?shù)臉O佳選擇。
圖：用SiC MOSFET代替逆變器級(jí)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(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車只是電源解決方案實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的兩個(gè)領(lǐng)域。智能工廠、智能辦公室、智能家居和智能電網(wǎng)都可以從寬禁帶GaN和SiC技術(shù)提供的更高的功率轉(zhuǎn)換效率和卓越的功率密度中受益。
影響電動(dòng)汽車的市場(chǎng)走向
通過克服電動(dòng)汽車固有的一些局限性，SiC和GaN技術(shù)正在成為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車成功的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的硅器件相比，SiC和GaN器件提供了一系列優(yōu)異的功能，包括較低的損耗、較高的開關(guān)頻率、較高的工作溫度、在惡劣環(huán)境中的魯棒性和較高的擊穿電壓。
2008年，SiC MOSFET的商業(yè)化標(biāo)志著功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，代表了其幾十年來的首次重大發(fā)展。
目前，SiC被配置為專為多種電動(dòng)汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，如牽引逆變器、車載充電器（OBC）和DC/DC功率轉(zhuǎn)換器。IDTechEx在分析了Si IGBT、SiC MOSFET和GaN HEMT的采用情況之后發(fā)現(xiàn)，2023年SiC逆變器約占純電動(dòng)汽車市場(chǎng)的28%，預(yù)計(jì)到2035年，市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)到360億美元。
電動(dòng)汽車中的電力牽引電機(jī)逆變器，是電氣化推進(jìn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。逆變器的主要功能是將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流波形，以驅(qū)動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，然后將再生制動(dòng)產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為電池反向充電。為了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，逆變器需將存儲(chǔ)在電池組中的能量轉(zhuǎn)換為交流電，因此轉(zhuǎn)換階段的損耗越低，系統(tǒng)的效率就越高。
SiC器件擁有比硅器件更高的導(dǎo)電性和更高的開關(guān)頻率，大幅減少了逆變器的功率損失。如今，許多電動(dòng)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(chǎn)品相比，采用SiC作為電動(dòng)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(xù)航里程。例如，通過在逆變器中將Si IGBT切換到SiC MOSFET，BEV的續(xù)航里程可以增加約7%。
開始時(shí)，SiC MOSFET和更大的電池僅用于具有更長(zhǎng)續(xù)航里程的高端電動(dòng)汽車。隨著設(shè)施的快速擴(kuò)大，性能、可靠性和生產(chǎn)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(jià)格仍然是同等Si IGBT的3倍，但其優(yōu)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(dòng)汽車電源系統(tǒng)的首選技術(shù)。根據(jù)IDTechEx的預(yù)測(cè)，得益于更高的效率和更高電壓平臺(tái)的采用，主要是在逆變器、車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)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(jí)750V碳化硅功率MOSFET，采用公司第三代SiC MOSFET技術(shù)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有非常低的RDS(on)，約為11.4mΩ，結(jié)合低電容和非常高的開關(guān)操作，在頻率、能效、系統(tǒng)尺寸和重量減輕方面提高了應(yīng)用性能，優(yōu)化了電動(dòng)汽車的系統(tǒng)尺寸和重量，可有效延長(zhǎng)車輛的里程范圍。基于SiC 的 800V電動(dòng)汽車平臺(tái)電驅(qū)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，同時(shí)降低了電動(dòng)汽車的重量。
針對(duì)下一代電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件逆變器的需求，STMicroelectronics再次優(yōu)化了其SiC MOSFET技術(shù)，并在今年宣布公司第四代SiC技術(shù)問世。基于第四代技術(shù)的SiC產(chǎn)品有望在能效、功率密度和穩(wěn)健性三個(gè)方面成為新的市場(chǎng)標(biāo)桿。STMicroelectronics新的SiC MOSFET產(chǎn)品有750V和1200V兩個(gè)電壓等級(jí)，可分別提高400V和800V電動(dòng)汽車平臺(tái)電驅(qū)逆變器的能效和性能。由于其導(dǎo)通電阻 (RDS(on))明顯低于前幾代產(chǎn)品，開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低，這些參數(shù)對(duì)于高頻應(yīng)用至關(guān)重要，因此可實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的電源轉(zhuǎn)換器。以25℃時(shí)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(shù)的汽車級(jí)產(chǎn)品SCT011H75G3AG（圖源：STMicroelectronics）
電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)又稱OBC，為電動(dòng)車必備的充電設(shè)備，負(fù)責(zé)將市電的交流電轉(zhuǎn)為直流電對(duì)電動(dòng)車電池進(jìn)行充電。由于WBG半導(dǎo)體的擊穿電壓要高得多，而導(dǎo)通電阻又非常小，有助于簡(jiǎn)化OBC的設(shè)計(jì)并提高了充電電路的效率。
在典型的電動(dòng)汽車OBC中，SiC二極管已獲廣泛使用。采用GaN技術(shù)的OBC設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)，減少充電時(shí)間和能量損失。雙向OBC允許電動(dòng)汽車作為能量庫(kù)或其他用途的能源，并幫助穩(wěn)定電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載。基于GaN和SiC器件的OBC實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換器配置。
GaN HEMT是一種新興技術(shù)，具有關(guān)鍵的效率優(yōu)勢(shì)，可能是電動(dòng)汽車市場(chǎng)的下一個(gè)主要顛覆者。雖然SiC MOSFET和GaN HEMT之間存在相當(dāng)大的應(yīng)用重疊，但兩者都將在汽車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)占有一席之地。
Infineon的GS66516B是650V增強(qiáng)型氮化鎵晶體管（650V GaN E-HEMT），采用的GaNPX封裝可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用提供極低的結(jié)至外殼熱阻，在車載OBC中實(shí)現(xiàn)非常高效的功率變換。
圖：可用于電動(dòng)汽車OBC的650V GaN E-HEMT（圖源：Infineon)
未來的數(shù)據(jù)中心電源單元將融合三種半導(dǎo)體類型
SiC和GaN等化合物半導(dǎo)體正在為我們的生活開辟新的可能性。在大型數(shù)據(jù)中心，高壓直流電源的使用正在增加，因?yàn)樗梢酝ㄟ^減少交流/直流轉(zhuǎn)換的次數(shù)來提高配電效率。根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)，SiC肖特基二極管和GaN HEMT無疑是數(shù)據(jù)中心使用的高電壓和高效率電源的強(qiáng)有力技術(shù)支撐，它們可有效地實(shí)現(xiàn)高效緊湊的服務(wù)器電源。
近期，Infineon推出了一系列專門為人工智能數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的先進(jìn)電源單元（PSU），這些功率從3KW到12KW不等的PSU利用新的WBG半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極高的效率。該P(yáng)SU使用混合開關(guān)方法，集成了三種類型的半導(dǎo)體，包括SiC、GaN和Si，以優(yōu)化性能。
? SiC因其較低的RDS（on）溫度系數(shù)而用于無橋圖騰柱功率因數(shù)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(zhuǎn)換器（LLC），因?yàn)樗鼈兊碾娙葺^低，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度。
? Si器件用于開關(guān)損耗極小的地方，提供低RDS（on）。
其中的關(guān)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P(yáng)SU實(shí)現(xiàn)了98%的基準(zhǔn)效率，降低了冷卻要求，提高了整體系統(tǒng)可靠性。
圖：AI數(shù)據(jù)中心8kW PSU解決方案系統(tǒng)方框圖（圖源：Infineon）
SiC和GaN器件未來應(yīng)用全景展望
硅IGBT開關(guān)頻率的絕對(duì)上限為100kHz。SiC將頻率增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到約1MHz，而GaN可以提高十倍，達(dá)到10MHz。SiC和GaN均屬WBG半導(dǎo)體，由于GaN的帶隙比SiC更寬，理論上，SiC的效率優(yōu)勢(shì)可能會(huì)被GaN超越。
然而，這只是故事的一面，GaN在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用存在較大障礙。
首先，對(duì)于超高開關(guān)頻率，工程師需要解決多種技術(shù)問題，如EMI（電磁干擾）、柵極控制、寄生效應(yīng)、熱效應(yīng)和增加的開關(guān)損耗。
其次，在器件級(jí)別，SiC MOSFET和GaN HEMT實(shí)際上非常不同。GaN器件通常生長(zhǎng)在硅基板上，雖然硅基板的成本比SiC和藍(lán)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(dòng)汽車的牽引逆變器中使用，因?yàn)殡妱?dòng)汽車通常在600V-1200V和數(shù)百千瓦下運(yùn)行。
盡管GaN功率器件在商業(yè)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(chǎng)份額。IDTechEx在其“2025-2035年電動(dòng)汽車電力電子：技術(shù)、市場(chǎng)和預(yù)測(cè)”報(bào)告中指出，GaN在汽車低壓輔助電子產(chǎn)品中占有很大的市場(chǎng)份額，這些電子產(chǎn)品不僅存在于電動(dòng)汽車中，也存在于輕度混合動(dòng)力汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車中。
SiC和GaN技術(shù)在推動(dòng)電動(dòng)汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施普及，提供更長(zhǎng)的行駛里程和更短的充電時(shí)間方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用。未來的電動(dòng)汽車將通過使用GaN和SiC的戰(zhàn)略組合來釋放其全部潛力并滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)期望。雖然SiC可能仍然是高壓下的首選技術(shù)，但電動(dòng)汽車可以利用GaN器件在較低電壓下的優(yōu)勢(shì)來提高功率密度和效率。使用SiC和GaN來滿足電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)要求現(xiàn)已成為下一代汽車設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，未來十年，人們可以期待Si、SiC和GaN在電動(dòng)汽車電力電子生態(tài)系統(tǒng)中共存。
同樣，人工智能服務(wù)器數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)也將受益于SiC和GaN帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。據(jù)GMI的預(yù)測(cè)，2023年，SiC和GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的價(jià)值為22.4億美元，預(yù)計(jì)2024年至2032年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過25%。在市場(chǎng)上，能效和降低功耗是推動(dòng)采用的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
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