【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(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）半導體材料，由于其獨特性，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)勢主要體現(xiàn)在三個方面：
? 一是GaN器件的導通電阻和開關(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現(xiàn)了緊湊的設(shè)計，非常適合小型化應用；
? 三是GaN晶體管可以實現(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，尤其適合電動汽車和數(shù)據(jù)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(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
SiC是另一種寬禁帶半導體，以其高溫穩(wěn)定性和優(yōu)異的電特性而聞名，具體優(yōu)勢包括：SiC器件可在較高的電壓水平下運行，無需在電力系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境中部署。
GaN和SiC半導體的優(yōu)點，包括降低的開關(guān)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(yōu)勢可以直接轉(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(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、更強大、更節(jié)能的電子系統(tǒng)。這些好處在電動汽車、可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)自動化和鐵路行業(yè)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(guān)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(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)域的應用首推數(shù)據(jù)中心和汽車。這是因為：
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(xiàn)高效緊湊的服務器電源的重要部件?；贕aN 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成這一目標。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用。
汽車
汽車是另一個在重量和空間上面臨挑戰(zhàn)的領(lǐng)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(zhuǎn)換變得更加關(guān)鍵，將具有更高性能的系統(tǒng)經(jīng)濟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現(xiàn)電動汽車和混合動力汽車系統(tǒng)的許多設(shè)計目標，從發(fā)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?shù)臉O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(shù)據(jù)中心和電動汽車只是電源解決方案實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的兩個領(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(shù)正在成為電動汽車和混合動力汽車成功的關(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)化標志著功率半導體市場的一個重大轉(zhuǎn)折點，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汽車應用而設(shè)計的關(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逆變器約占純電動汽車市場的28%，預計到2035年，市場規(guī)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(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)動汽車發(fā)動機，然后將再生制動產(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)動電動機，逆變器需將存儲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，SiC MOSFET和更大的電池僅用于具有更長續(xù)航里程的高端電動汽車。隨著設(shè)施的快速擴大，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正在成為電動汽車電源系統(tǒng)的首選技術(shù)。根據(jù)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(zhuǎn)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(shù)，在整個溫度范圍內(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用性能，優(yōu)化了電動汽車的系統(tǒng)尺寸和重量，可有效延長車輛的里程范圍?；赟iC 的 800V電動汽車平臺電驅(qū)系統(tǒng)可實現(xiàn)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(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)健性三個方面成為新的市場標桿。STMicroelectronics新的SiC MOSFET產(chǎn)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(qū)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(chǎn)品，開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低，這些參數(shù)對于高頻應用至關(guān)重要，因此可實現(xiàn)更緊湊、更高效的電源轉(zhuǎn)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(shù)的汽車級產(chǎn)品SCT011H75G3AG（圖源：STMicroelectronics）
電動汽車充電系統(tǒng)又稱OBC，為電動車必備的充電設(shè)備，負責將市電的交流電轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)的OBC設(shè)計可以簡化冷卻系統(tǒng)，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(wěn)定電網(wǎng)內(nèi)的負載。基于GaN和SiC器件的OBC實現(xiàn)了先進的雙向拓撲結(jié)構(gòu)，同時優(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，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(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用提供極低的結(jié)至外殼熱阻，在車載OBC中實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換的次數(shù)來提高配電效率。根據(jù)當前的技術(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有力技術(shù)支撐，它們可有效地實現(xiàn)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(shù)據(jù)中心設(shè)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(shù)實現(xiàn)了極高的效率。該PSU使用混合開關(guān)方法，集成了三種類型的半導體，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），因為它們的電容較低，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PSU實現(xiàn)了98%的基準效率，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器件未來應用全景展望
硅IGBT開關(guān)頻率的絕對上限為100kHz。SiC將頻率增加了一個數(shù)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(yōu)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(lǐng)域的應用存在較大障礙。
首先，對于超高開關(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、熱效應和增加的開關(guān)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(shù)百千瓦下運行。
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份額。IDTechEx在其“2025-2035年電動汽車電力電子：技術(shù)、市場和預測”報告中指出，GaN在汽車低壓輔助電子產(chǎn)品中占有很大的市場份額，這些電子產(chǎn)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(nèi)燃機汽車中。
SiC和GaN技術(shù)在推動電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施普及，提供更長的行駛里程和更短的充電時間方面發(fā)揮了主導作用。未來的電動汽車將通過使用GaN和SiC的戰(zhàn)略組合來釋放其全部潛力并滿足日益增長的市場期望。雖然SiC可能仍然是高壓下的首選技術(shù)，但電動汽車可以利用GaN器件在較低電壓下的優(yōu)勢來提高功率密度和效率。使用SiC和GaN來滿足電動汽車設(shè)計要求現(xiàn)已成為下一代汽車設(shè)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(tài)系統(tǒng)中共存。
同樣，人工智能服務器數(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。據(jù)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(guān)鍵優(yōu)勢。
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