寬帶隙之戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始，SiC和GaN誰(shuí)更有優(yōu)勢(shì)？
這場(chǎng)革命遠(yuǎn)未結(jié)束。確實(shí)，它即將躍升至更高的層次。改變了照明行業(yè)的半導(dǎo)體技術(shù)氮化鎵 (GaN) 也是電力電子革命的一部分，這場(chǎng)革命正在蓄勢(shì)待發(fā)。因?yàn)榛衔锇雽?dǎo)體中的一種——碳化硅 (SiC)——已經(jīng)開(kāi)始在巨大而重要的電力電子領(lǐng)域取代硅基電子產(chǎn)品。
GaN和SiC器件比它們正在替代的硅元件性能更好、效率更高。全世界有數(shù)以億計(jì)的此類設(shè)備，其中許多每天運(yùn)行數(shù)小時(shí)，因此節(jié)省的能源將是巨大的。與GaN LED取代白熾燈和其他傳統(tǒng)照明相比，GaN和SiC電力電子產(chǎn)品的興起最終將對(duì)地球氣候產(chǎn)生更大的積極影響。
幾乎所有必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為直流電的地方，浪費(fèi)的功率都會(huì)減少。這種轉(zhuǎn)換發(fā)生在手機(jī)或筆記本電腦的壁式充電器、為電動(dòng)汽車供電的更大的充電器和逆變器以及其他地方。隨著其他硅據(jù)點(diǎn)也落入新半導(dǎo)體，將會(huì)有類似的節(jié)省。無(wú)線基站放大器是不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用之一，這些新興半導(dǎo)體在這些應(yīng)用中顯然具有優(yōu)勢(shì)。在減緩氣候變化的努力中，消除功耗浪費(fèi)是唾手可得的成果，而這些半導(dǎo)體正是我們收獲它的方式。
這是技術(shù)史上常見(jiàn)模式的新實(shí)例：兩項(xiàng)相互競(jìng)爭(zhēng)的創(chuàng)新同時(shí)取得成果。這一切將如何擺脫？SiC將在哪些應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，而GaN將在哪些領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位？認(rèn)真審視這兩種半導(dǎo)體的相對(duì)優(yōu)勢(shì)可以為我們提供一些可靠的線索。
寬禁帶半導(dǎo)體
化合物半導(dǎo)體被稱為寬禁帶(WBG)器件。若不評(píng)介晶格結(jié)構(gòu)、能級(jí)和其他令人頭疼的半導(dǎo)體物理學(xué)，我們只說(shuō)WBG的定義是一個(gè)試圖描述電流(電子)如何在化合物半導(dǎo)體中流動(dòng)的模型。
WBG化合物半導(dǎo)體具有較高的電子遷移率和較高的帶隙能量，轉(zhuǎn)化為優(yōu)于硅的特性。由WBG化合物半導(dǎo)體制成的晶體管具有更高的擊穿電壓和對(duì)高溫的耐受性。這些器件在高壓和高功率應(yīng)用中比硅更有優(yōu)勢(shì)。
與硅相比，WBG晶體管的開(kāi)關(guān)速度也更快，可在更高的頻率下工作。更低的“導(dǎo)通”電阻意味著它們耗散的功率更小，從而提升能效。這種獨(dú)特的特性組合使這些器件對(duì)汽車應(yīng)用中一些最嚴(yán)苛要求的電路具有吸引力，特別是混合動(dòng)力和電動(dòng)車。
當(dāng)然，SiC和GaN也有各自與眾不同的特性，主要可分為以下兩點(diǎn)：
性能對(duì)比
碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體通常也被稱為化合物半導(dǎo)體，因?yàn)樗麄兪怯蛇x自周期表中的多個(gè)元素組成的。下圖比較了Si、SiC和GaN材料的性能，這些材料的屬性對(duì)電子器件的基本性能特點(diǎn)產(chǎn)生重大影響。
對(duì)于射頻和開(kāi)關(guān)電源設(shè)備而言，顯然SiC和GaN兩種材料的性能都優(yōu)于單質(zhì)硅的，他們的高臨界場(chǎng)允許這些器件能在更高的電壓和更低的漏電流中操作。高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率。然而SiC電子遷移率高于Si，GaN的電子遷移率又高于SiC，這意味著氮化鎵應(yīng)該最終成為極高頻率的最佳設(shè)備材料。
另外，高導(dǎo)熱系數(shù)意味著材料在更有效地傳導(dǎo)熱量方面占優(yōu)勢(shì)。SiC比GaN和Si具有更高的熱導(dǎo)率，意味著SiC器件比GaN或Si從理論上可以在更高的功率密度下操作。當(dāng)高功率是一個(gè)關(guān)鍵的理想設(shè)備特點(diǎn)時(shí)，高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合寬帶隙、高臨界場(chǎng)的SiC半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢(shì)。GaN相對(duì)較差的導(dǎo)熱性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個(gè)挑戰(zhàn)。
應(yīng)用對(duì)比
GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重和互補(bǔ)。
GaN：目前主要用于射頻器件、電力電子功率器件以及光電器件。GaN的商業(yè)化應(yīng)用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導(dǎo)體特性的主要應(yīng)用領(lǐng)域。由于5G基站會(huì)用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對(duì)于整個(gè)天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)，因此5G通信將是GaN射頻器件市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素。
SiC：SiC能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開(kāi)關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化，更耐高溫，目前主要用于高溫、高頻、高效能的大功率元件，如智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車、光伏、風(fēng)電。其中，新能源汽車是SiC功率器件市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)因素，主要的應(yīng)用器件有功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。
GaN 與 SiC的競(jìng)爭(zhēng)
考慮到這些相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，讓我們逐一考慮各個(gè)應(yīng)用程序，并闡明事情可能如何發(fā)展。
電動(dòng)汽車逆變器和轉(zhuǎn)換器
特斯拉在2017年為其Model 3的車載或牽引逆變器采用SiC，這是該半導(dǎo)體的早期重大勝利。在電動(dòng)汽車中，牽引逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電。逆變器還通過(guò)改變交流電的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度。據(jù)新聞報(bào)道，如今，梅賽德斯-奔馳和Lucid Motors也在其逆變器中使用SiC，其他電動(dòng)汽車制造商也計(jì)劃在即將推出的車型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供應(yīng)。EV牽引逆變器的功率范圍通常從小型EV的約35kW到100kW到大型車輛的約400kW。
然而，將這場(chǎng)競(jìng)賽稱為SiC還為時(shí)過(guò)早。正如我所指出的，要打入這個(gè)市場(chǎng)，GaN供應(yīng)商必須提供1,200-V的器件。電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)現(xiàn)在通常僅在400伏電壓下運(yùn)行，但保時(shí)捷Taycan擁有800伏系統(tǒng)，奧迪、現(xiàn)代和起亞的電動(dòng)汽車也是如此。預(yù)計(jì)其他汽車制造商將在未來(lái)幾年效仿。（Lucid Air有一個(gè) 900-V系統(tǒng)。）我希望在2025年看到第一個(gè)商用1,200-V GaN晶體管。這些設(shè)備不僅將用于車輛，還將用于高速公共EV充電器。
GaN可能實(shí)現(xiàn)的更高開(kāi)關(guān)速度將成為EV逆變器的一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些開(kāi)關(guān)采用了所謂的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)。在這里，提高性能的方法是非?？焖俚貜拇蜷_(kāi)切換到關(guān)閉，以最大限度地減少設(shè)備保持高電壓 和通過(guò)高電流的時(shí)間。
除逆變器外，電動(dòng)汽車通常還配備車載充電器，可通過(guò)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，利用壁（市電）電流為車輛充電。在這里，GaN再次非常有吸引力，原因與使其成為逆變器的理想選擇的原因相同。
電網(wǎng)應(yīng)用
至少在未來(lái)十年內(nèi)，用于額定電壓為3kV或更高的設(shè)備的超高壓電源轉(zhuǎn)換仍將是SiC的領(lǐng)域。這些應(yīng)用包括有助于穩(wěn)定電網(wǎng)、將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并在傳輸級(jí)電壓下再次轉(zhuǎn)換回來(lái)的系統(tǒng)，以及其他用途。
手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器
從2019年開(kāi)始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開(kāi)始銷售基于GaN的壁式充電器。
GaN的高開(kāi)關(guān)速度及其普遍較低的成本使其成為低功率市場(chǎng)（25至500W）的主導(dǎo)者，在這些市場(chǎng)中，這些因素以及小尺寸和穩(wěn)健的供應(yīng)鏈至關(guān)重要。這些早期的GaN功率轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)300kHz的開(kāi)關(guān)頻率和超過(guò)92%的效率。他們創(chuàng)造了功率密度記錄，數(shù)字高達(dá)每立方英寸30W（1.83W/cmm3）——大約是他們正在更換的硅基充電器密度的兩倍。
太陽(yáng)能微型逆變器
近年來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電在電網(wǎng)規(guī)模和分布式（家庭）應(yīng)用中都取得了成功。對(duì)于每個(gè)安裝，都需要一個(gè)逆變器將太陽(yáng)能電池板的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為家庭供電或?qū)㈦娔茚尫诺诫娋W(wǎng)。今天，電網(wǎng)規(guī)模的光伏逆變器是硅 IGBT和SiC MOSFET的領(lǐng)域。但GaN將開(kāi)始進(jìn)軍分布式太陽(yáng)能市場(chǎng)，尤其是。
傳統(tǒng)上，在這些分布式安裝中，所有太陽(yáng)能電池板都有一個(gè)逆變器箱。但越來(lái)越多的安裝人員更喜歡這樣的系統(tǒng)，其中每個(gè)面板都有一個(gè)單獨(dú)的微型逆變器，并且在為房屋供電或?yàn)殡娋W(wǎng)供電之前將交流電組合起來(lái)。這樣的設(shè)置意味著系統(tǒng)可以監(jiān)控每個(gè)面板的操作，以優(yōu)化整個(gè)陣列的性能。
微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。再加上電池，他們創(chuàng)造了一個(gè)不間斷的電源，以防止停電。此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，調(diào)整電源的交流波形以提高效率并消除可能損壞設(shè)備的特性。對(duì)于這些，GaN提供了一種低損耗且經(jīng)濟(jì)的解決方案，正在慢慢取代硅。
5G和6G基站
GaN的卓越速度和高功率密度將使其能夠贏得并最終主導(dǎo)微波領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是5G和6G無(wú)線以及商業(yè)和軍用雷達(dá)。這里的主要競(jìng)爭(zhēng)是硅LDMOS器件陣列，它們更便宜但性能較低。事實(shí)上，GaN在4GHz及以上的頻率上沒(méi)有真正的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
對(duì)于5G和6G無(wú)線，關(guān)鍵參數(shù)是帶寬，因?yàn)樗鼪Q定了硬件可以有效傳輸多少信息。下一代5G系統(tǒng)將擁有近1GHz的帶寬，可實(shí)現(xiàn)超快的視頻和其他應(yīng)用。
使用絕緣體上硅技術(shù)的微波通信系統(tǒng)提供了一種使用高頻硅器件的5G+解決方案，其中每個(gè)器件的低輸出功率都通過(guò)大量陣列來(lái)克服。GaN和硅將在這個(gè)領(lǐng)域共存一段時(shí)間。特定應(yīng)用程序的贏家將取決于系統(tǒng)架構(gòu)、成本和性能之間的權(quán)衡。
雷達(dá)
美國(guó)軍方正在部署許多基于GaN電子設(shè)備的地面雷達(dá)系統(tǒng)。其中包括由 Northrup-Grumman 為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)建造的地面/空中任務(wù)導(dǎo)向雷達(dá)和有源電子掃描陣列雷達(dá)。雷神公司的SPY6雷達(dá)已交付給美國(guó)海軍，并于2022年12月進(jìn)行了首次海上測(cè)試。該系統(tǒng)大大擴(kuò)展了艦載雷達(dá)的范圍和靈敏度。
寬帶隙之戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始
如今，SiC在EV逆變器中占據(jù)主導(dǎo)地位，而且通常在電壓阻斷能力和功率處理能力至關(guān)重要且頻率較低的地方。GaN是高頻性能至關(guān)重要的首選技術(shù)，例如5G和6G基站，以及雷達(dá)和高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，例如墻上插頭適配器、微型逆變器和電源。
但GaN和SiC之間的拉鋸戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始。無(wú)論競(jìng)爭(zhēng)如何，一個(gè)應(yīng)用一個(gè)應(yīng)用，一個(gè)市場(chǎng)一個(gè)市場(chǎng)，我們可以肯定地說(shuō)，地球環(huán)境將成為贏家。隨著這一技術(shù)更新和復(fù)興的新周期勢(shì)不可擋地向前發(fā)展，未來(lái)幾年將避免數(shù)十億噸溫室氣體排放。
