GaN和SiC在功率转换领域有哪些差异

采用氮化镓的 LED 照明已经大幅减少了全球的用电量，预计十年后节省的电量可能高达 46%。但在电力消耗方面，另一种电子技术可能在减少全球碳排放的关键驱动力中发挥更大的价值，那就是电力转换。

大多数人完全不知道电力转换技术如何影响他们，但这个过程在全球范围内每天发生数万亿次，并使从移动电话到电动汽车到医疗和工业系统的任何东西都能正常运行，但由于实现这一过程的电子设备和系统效率低下，每天都会浪费大量地球能源。

带隙系数

GaN 和 SiC 都属于一类称为宽带隙半导体的器件。半导体的带隙定义为电子从价带跃迁到导带所需的能量（以电子伏特为单位）。价带只是电子占据的任何特定材料的原子的最外层电子轨道。

价带的最高占据能态与导带的最低未占据能态之间的能量差称为带隙，表示材料的电导率。大带隙意味着需要大量能量将价电子激发到导带。相反，当价带和导带像金属中那样重叠时，电子可以很容易地在两个带之间跳跃，这意味着该材料被归类为高导电性。

导体、绝缘体和半导体之间的差异可以通过它们的带隙有多大来显示。绝缘体的特点是带隙大，因此需要大量的能量将电子移出价带以形成电流。导体的导带和价带之间有重叠，因此此类导体中的价电子是自由的。

然而，半导体的带隙很小，允许材料的少量价电子移动到导带中。这种特性使它们具有导体和绝缘体之间的导电性，这也是它们非常适合电路的部分原因，因为它们不会像导体那样引起短路。

GaN 和 SiC 器件在提高功率转换效率并从而节省大量电力方面已经展现出巨大的潜力。

目前看来两者都将在功率转换领域找到有价值的位置。但有哪些差异呢？

失败开放因素

基于SiC的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 具有故障开放器件的优势。

这意味着如果电路出现故障，设备就会停止传导电流。这消除了故障可能导致短路以及可能的火灾或爆炸的可能性。然而，这种有益的、有时也是必要的特征确实意味着它的电子移动速度不那么快，不幸的是，这会增加电阻，成为高效功率转换的主要敌人。

GaN 基器件确实具有高电子迁移率。GaN 晶体管有所不同，因为流经器件的大部分电流是由电子速度而不是电荷量决定的。这意味着电荷必须进入设备才能打开或关闭它。这减少了每个开关周期所需的能量，并提供更高效的功率转换操作。

但必须记住，有时 GaN 和 SiC 的不同操作特性和后续优势在某些应用中可能是有益的，而不是将某项特定技术视为赢家。

让我们来看看汽车制造商以及他们在涉及电动汽车 (EV) 设计的宽带隙决策时的选择，特别是车辆逆变器的工作（从根本上讲是功率转换）。

电动汽车需要逆变器将锂电池的直流电转换为车辆电动机可以使用的交流电。埃隆·马斯克(Elon Musk)为他的特斯拉汽车选择了SiC器件供应商，现在中国汽车制造商比亚迪、丰田、现代和梅赛德斯也纷纷效仿。

然而，对于汽车制造商来说，SiC 器件并没有完全按照自己的方式行事。

GaN 的更高开关速度对于电动汽车逆变器来说是一个强大的优势，因为它们使用硬开关。这样可以通过快速从开到关切换来缩短器件保持高电压和通过高电流的时间，从而提高性能。

除了逆变器外，电动汽车通常还配有车载充电器，可通过将交流电转换为直流电来为车辆充电。在这方面，GaN 再次非常有吸引力。

在汽车应用中使用 SiC 会带来一些挑战。SiC 衬底价格不菲，占该器件生产材料成本的近 50%。SiC本质上也是一种低成品率的制造工艺，而且晶圆是透明的，需要昂贵的计量设备来监控该工艺。

制造SiC器件比制造Si基半导体更困难，而且SiC的硬度使得蚀刻和栅极氧化工艺变得困难。

在汽车制造方面，汽车制造商需要大量供应产品来维持生产线的运转，而碳化硅的供应有限，这是其在汽车行业采用的另一个障碍。

与 SiC 相比，GaN 生长在更便宜的 Si 衬底上。然而，与 SiC 相比，它们确实需要更大的芯片尺寸来实现高电流应用。

组件可靠性

使用硅基板有时会导致晶格失配和位错等问题，进而导致栅极电流泄漏和可靠性降低，汽车制造商对组件的可靠性感到偏执，因为操作故障会导致汽车保修退货，并随后从汽车制造商的利润中分一杯羹。

诚然，GaN 的这些问题可以通过更坚固的外延层轻松解决，但这反过来又会增加组件的总体成本，而且汽车制造商在供应组件的价格方面再次具有高度的成本意识。

创建适合汽车用途的半导体器件始终必须考虑温度因素，并且由于 GaN 生长在 Si 衬底上，因此其导热率取决于 Si 衬底的性能。

GaN对于高功率汽车应用（10kW以上）确实有局限性，并且是600V以下设备的首选，但它确实有潜力进入多电平功率拓扑的逆变器市场。由于汽车制造商需要不断增加的电量来实现信息娱乐、快速通信、摄像头和雷达等功能，因此人们对 48V 系统的兴趣与日俱增。在这方面，GaN是合适的，因为它具有成本竞争力。

电力电子的未来前景

如前所述，GaN 可以节省系统级成本。器件和系统成本取决于衬底成本、晶圆制造、封装和制造过程中的总产量。

SiC 和 GaN 可满足不同的电压、功率和应用需求。SiC 可处理高达 1,200V 的电压水平，并具有高载流能力。这使得它们适合汽车逆变器和太阳能发电场的应用。

另外，由于其高频开关能力及其成本优势，GaN 已成为许多设计人员在 <10 kW 应用中的首选器件。

因此，这些只是两种带隙技术之间的一些操作差异，现阶段不可能回答哪个将成为总体赢家的主要问题，主要是因为两者在性能方面都在不断发展。

展望未来，电力电子行业正在关注氧化镓等新兴材料。虽然氧化镓具有广阔的潜力，但鉴于该行业的保守性质，其采用将是渐进的。这些新型材料在高功率场景中的广泛接受和应用将取决于它们建立可靠记录的能力。

就 GaN 而言，它能够提供非常快速的开关，同时在高温下工作。它还具有尺寸优势，被认为具有低碳足迹，并且在制造成本方面非常合理。

从 SiC 的角度来看，这些设备的制造商在电动汽车市场上的情况看起来不错。

咨询公司麦肯锡表示，800V纯电动汽车（BEV）最有可能使用基于SiC的逆变器，因为其效率高，预计到本十年末，BEV将占电动汽车的75%市场。

抛开这两种技术之间的技术差异，分析师和专家对它们在本十年余下时间里的销售情况有何看法？

从行业权威人士的平均观点来看，SiC 似乎表现良好，销售额将实现 29% 的复合年增长率 (CAGR)，到 2030 年全球销售额将达到 120 亿欧元。

GaN 器件销售的财务状况看起来同样乐观。尽管市场分析师的复合年增长率数据往往存在较大差异，但总体平均数字为 26%，到2030 年销售额应达到约 100 亿欧元。

因此，就技术能力、应用多功能性以及为半导体公司赚大钱的能力而言，GaN 和 Sic 没有太多区别，因此，如果要在带隙竞赛中产生最终的获胜者，它将是就看谁能展示出最具颠覆性的技术。

来源：半导体芯闻

审核编辑：汤梓红