GaN和SiC在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有哪些差異

采用氮化鎵的 LED 照明已經(jīng)大幅減少了全球的用電量，預(yù)計(jì)十年后節(jié)省的電量可能高達(dá) 46%。但在電力消耗方面，另一種電子技術(shù)可能在減少全球碳排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力中發(fā)揮更大的價(jià)值，那就是電力轉(zhuǎn)換。

大多數(shù)人完全不知道電力轉(zhuǎn)換技術(shù)如何影響他們，但這個(gè)過(guò)程在全球范圍內(nèi)每天發(fā)生數(shù)萬(wàn)億次，并使從移動(dòng)電話到電動(dòng)汽車(chē)到醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)的任何東西都能正常運(yùn)行，但由于實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的電子設(shè)備和系統(tǒng)效率低下，每天都會(huì)浪費(fèi)大量地球能源。

帶隙系數(shù)

GaN 和 SiC 都屬于一類稱為寬帶隙半導(dǎo)體的器件。半導(dǎo)體的帶隙定義為電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量（以電子伏特為單位）。價(jià)帶只是電子占據(jù)的任何特定材料的原子的最外層電子軌道。

價(jià)帶的最高占據(jù)能態(tài)與導(dǎo)帶的最低未占據(jù)能態(tài)之間的能量差稱為帶隙，表示材料的電導(dǎo)率。大帶隙意味著需要大量能量將價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶。相反，當(dāng)價(jià)帶和導(dǎo)帶像金屬中那樣重疊時(shí)，電子可以很容易地在兩個(gè)帶之間跳躍，這意味著該材料被歸類為高導(dǎo)電性。

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之間的差異可以通過(guò)它們的帶隙有多大來(lái)顯示。絕緣體的特點(diǎn)是帶隙大，因此需要大量的能量將電子移出價(jià)帶以形成電流。導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間有重疊，因此此類導(dǎo)體中的價(jià)電子是自由的。

然而，半導(dǎo)體的帶隙很小，允許材料的少量?jī)r(jià)電子移動(dòng)到導(dǎo)帶中。這種特性使它們具有導(dǎo)體和絕緣體之間的導(dǎo)電性，這也是它們非常適合電路的部分原因，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)像導(dǎo)體那樣引起短路。

GaN 和 SiC 器件在提高功率轉(zhuǎn)換效率并從而節(jié)省大量電力方面已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力。

目前看來(lái)兩者都將在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域找到有價(jià)值的位置。但有哪些差異呢？

失敗開(kāi)放因素

基于SiC的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 具有故障開(kāi)放器件的優(yōu)勢(shì)。

這意味著如果電路出現(xiàn)故障，設(shè)備就會(huì)停止傳導(dǎo)電流。這消除了故障可能導(dǎo)致短路以及可能的火災(zāi)或爆炸的可能性。然而，這種有益的、有時(shí)也是必要的特征確實(shí)意味著它的電子移動(dòng)速度不那么快，不幸的是，這會(huì)增加電阻，成為高效功率轉(zhuǎn)換的主要敵人。

GaN 基器件確實(shí)具有高電子遷移率。GaN 晶體管有所不同，因?yàn)榱鹘?jīng)器件的大部分電流是由電子速度而不是電荷量決定的。這意味著電荷必須進(jìn)入設(shè)備才能打開(kāi)或關(guān)閉它。這減少了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的能量，并提供更高效的功率轉(zhuǎn)換操作。

但必須記住，有時(shí) GaN 和 SiC 的不同操作特性和后續(xù)優(yōu)勢(shì)在某些應(yīng)用中可能是有益的，而不是將某項(xiàng)特定技術(shù)視為贏家。

讓我們來(lái)看看汽車(chē)制造商以及他們?cè)谏婕半妱?dòng)汽車(chē) (EV) 設(shè)計(jì)的寬帶隙決策時(shí)的選擇，特別是車(chē)輛逆變器的工作（從根本上講是功率轉(zhuǎn)換）。

電動(dòng)汽車(chē)需要逆變器將鋰電池的直流電轉(zhuǎn)換為車(chē)輛電動(dòng)機(jī)可以使用的交流電。埃隆·馬斯克(Elon Musk)為他的特斯拉汽車(chē)選擇了SiC器件供應(yīng)商，現(xiàn)在中國(guó)汽車(chē)制造商比亞迪、豐田、現(xiàn)代和梅賽德斯也紛紛效仿。

然而，對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，SiC 器件并沒(méi)有完全按照自己的方式行事。

GaN 的更高開(kāi)關(guān)速度對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)逆變器來(lái)說(shuō)是一個(gè)強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兪褂糜查_(kāi)關(guān)。這樣可以通過(guò)快速?gòu)拈_(kāi)到關(guān)切換來(lái)縮短器件保持高電壓和通過(guò)高電流的時(shí)間，從而提高性能。

除了逆變器外，電動(dòng)汽車(chē)通常還配有車(chē)載充電器，可通過(guò)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來(lái)為車(chē)輛充電。在這方面，GaN 再次非常有吸引力。

在汽車(chē)應(yīng)用中使用 SiC 會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。SiC 襯底價(jià)格不菲，占該器件生產(chǎn)材料成本的近 50%。SiC本質(zhì)上也是一種低成品率的制造工藝，而且晶圓是透明的，需要昂貴的計(jì)量設(shè)備來(lái)監(jiān)控該工藝。

制造SiC器件比制造Si基半導(dǎo)體更困難，而且SiC的硬度使得蝕刻和柵極氧化工藝變得困難。

在汽車(chē)制造方面，汽車(chē)制造商需要大量供應(yīng)產(chǎn)品來(lái)維持生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)，而碳化硅的供應(yīng)有限，這是其在汽車(chē)行業(yè)采用的另一個(gè)障礙。

與 SiC 相比，GaN 生長(zhǎng)在更便宜的 Si 襯底上。然而，與 SiC 相比，它們確實(shí)需要更大的芯片尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)高電流應(yīng)用。

組件可靠性

使用硅基板有時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶格失配和位錯(cuò)等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致柵極電流泄漏和可靠性降低，汽車(chē)制造商對(duì)組件的可靠性感到偏執(zhí)，因?yàn)椴僮鞴收蠒?huì)導(dǎo)致汽車(chē)保修退貨，并隨后從汽車(chē)制造商的利潤(rùn)中分一杯羹。

誠(chéng)然，GaN 的這些問(wèn)題可以通過(guò)更堅(jiān)固的外延層輕松解決，但這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加組件的總體成本，而且汽車(chē)制造商在供應(yīng)組件的價(jià)格方面再次具有高度的成本意識(shí)。

創(chuàng)建適合汽車(chē)用途的半導(dǎo)體器件始終必須考慮溫度因素，并且由于 GaN 生長(zhǎng)在 Si 襯底上，因此其導(dǎo)熱率取決于 Si 襯底的性能。

GaN對(duì)于高功率汽車(chē)應(yīng)用（10kW以上）確實(shí)有局限性，并且是600V以下設(shè)備的首選，但它確實(shí)有潛力進(jìn)入多電平功率拓?fù)涞哪孀兤魇袌?chǎng)。由于汽車(chē)制造商需要不斷增加的電量來(lái)實(shí)現(xiàn)信息娛樂(lè)、快速通信、攝像頭和雷達(dá)等功能，因此人們對(duì) 48V 系統(tǒng)的興趣與日俱增。在這方面，GaN是合適的，因?yàn)樗哂谐杀靖?jìng)爭(zhēng)力。

電力電子的未來(lái)前景

如前所述，GaN 可以節(jié)省系統(tǒng)級(jí)成本。器件和系統(tǒng)成本取決于襯底成本、晶圓制造、封裝和制造過(guò)程中的總產(chǎn)量。

SiC 和 GaN 可滿足不同的電壓、功率和應(yīng)用需求。SiC 可處理高達(dá) 1,200V 的電壓水平，并具有高載流能力。這使得它們適合汽車(chē)逆變器和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)的應(yīng)用。

另外，由于其高頻開(kāi)關(guān)能力及其成本優(yōu)勢(shì)，GaN 已成為許多設(shè)計(jì)人員在 <10 kW 應(yīng)用中的首選器件。

因此，這些只是兩種帶隙技術(shù)之間的一些操作差異，現(xiàn)階段不可能回答哪個(gè)將成為總體贏家的主要問(wèn)題，主要是因?yàn)閮烧咴谛阅芊矫娑荚诓粩喟l(fā)展。

展望未來(lái)，電力電子行業(yè)正在關(guān)注氧化鎵等新興材料。雖然氧化鎵具有廣闊的潛力，但鑒于該行業(yè)的保守性質(zhì)，其采用將是漸進(jìn)的。這些新型材料在高功率場(chǎng)景中的廣泛接受和應(yīng)用將取決于它們建立可靠記錄的能力。

就 GaN 而言，它能夠提供非常快速的開(kāi)關(guān)，同時(shí)在高溫下工作。它還具有尺寸優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為具有低碳足跡，并且在制造成本方面非常合理。

從 SiC 的角度來(lái)看，這些設(shè)備的制造商在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)上的情況看起來(lái)不錯(cuò)。

咨詢公司麥肯錫表示，800V純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）最有可能使用基于SiC的逆變器，因?yàn)槠湫矢撸A(yù)計(jì)到本十年末，BEV將占電動(dòng)汽車(chē)的75%市場(chǎng)。

拋開(kāi)這兩種技術(shù)之間的技術(shù)差異，分析師和專家對(duì)它們?cè)诒臼暧嘞聲r(shí)間里的銷售情況有何看法？

從行業(yè)權(quán)威人士的平均觀點(diǎn)來(lái)看，SiC 似乎表現(xiàn)良好，銷售額將實(shí)現(xiàn) 29% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR)，到 2030 年全球銷售額將達(dá)到 120 億歐元。

GaN 器件銷售的財(cái)務(wù)狀況看起來(lái)同樣樂(lè)觀。盡管市場(chǎng)分析師的復(fù)合年增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)往往存在較大差異，但總體平均數(shù)字為 26%，到2030 年銷售額應(yīng)達(dá)到約 100 億歐元。

因此，就技術(shù)能力、應(yīng)用多功能性以及為半導(dǎo)體公司賺大錢(qián)的能力而言，GaN 和 Sic 沒(méi)有太多區(qū)別，因此，如果要在帶隙競(jìng)賽中產(chǎn)生最終的獲勝者，它將是就看誰(shuí)能展示出最具顛覆性的技術(shù)。

來(lái)源：半導(dǎo)體芯聞

審核編輯：湯梓紅