GaN和SiC在工业电子领域的优势

e络盟技术团队

 

提高工业能源效率是制造业的主要趋势之一。随着全球越来越多地转向使用电力，所谓提高工业能源效率，就是指改进电力电子设备的运行，例如，投资于节能电机来最大限度地节省开支。

当前，大多数电子设备采用的都是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其于1959年在贝尔实验室诞生，并在20世纪60年代早期获得广泛采用。MOSFET通过改变施加在栅极端子上的电压来控制器件通道的电导率，从而实现信号放大或开关和功率处理等操作。

与传统的双极晶体管相比，MOSFET的主要优点是几乎不需要输入电流来控制负载电流。MOSFET也有一定的缺点，最明显的是使用寿命短，对过载电压较为敏感。

与硅基器件相比，新材料有了显著的改进，表现在损耗更小、速度更快、成本更低。此处所说的新材料包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。这些新材料的特点之一是带隙更宽，这是固体中电子不能存活的能量范围，也是固体材料可以导电的因素之一。带隙越宽，就能承受越高的电压和温度。

 

氮化镓是什么？

氮化镓（GaN）是一种非常坚硬且机械性能稳定的半导体。与带隙约为1.12eV的硅基等效材料相比，氮化镓的带隙达到3.2 eV，击穿强度更高，开关速度更快，导热性更高且电阻更低。

具有此宽带隙的氮化镓可用于光电高功率和高频器件。例如，氮化镓MOSFET是微波和太赫兹（THz）器件功率放大器的理想基础，用于成像和传感等应用，以及射频（RF）元件和发光二极管（LED）。这些优势意味着氮化镓已经证明了它能够在功率转换、射频和模拟应用中取代硅半导体。

由于氮化镓晶体可以在包括硅在内的各种基材上生长，因此可以使用现有的硅制造基础设施，包括现有的大直径硅晶圆。

与硅相比，氮化镓具备几个有优势的特性。包括导通电阻更低，这样可以降低电导损耗，继而降低能源成本。由于氮化镓半导体本质上比硅更高效，因此消耗的热量更少，系统尺寸更小，材料成本也就更低。

这种材料还支持使用更高的开关频率提高器件速度，这反过来又支持在电源电路中使用更小的电感和电容器。随着频率增加10倍，电容和电感减少10 倍，重量、体积和成本都在大幅降低。在电机驱动应用中，更高的频率还可以降低噪音。此外，它们还能实现更高功率的无线电力传输，以及充电元件和充电器件之间更大的传输接收气隙。

与硅相比，氮化镓器件可以适应更高的开关频率和工作温度，对冷却要求更低，并可使用更小的散热器以及从液体冷却转向空气冷却，因此无需使用风扇。

使用氮化镓半导体，可以降低系统总成本。虽然氮化镓半导体的成本通常比硅高，但无源电感和电容元件、滤波器和冷却等元件的尺寸和成本的减少可以节省10%-20%的成本。

 

碳化硅是什么？

碳化硅（SiC）是一种由硅和碳化物组成的化合物半导体。 碳化硅的带隙为3.4 eV，是硅的三倍，优点很多，包括击穿电场强度是硅的十倍，这使得它可以配置从600V到数千伏的高功率器件电压。

碳化硅兼具高耐压、低导通电阻、高速运行和更高的工作温度等优点，大大扩展了应用范围。从本质上讲，碳化硅实现了单独使用硅时无法实现的性能，是下一代功率器件中硅的最佳替代品。

高压器件的大部分电阻元件都位于漂移层，因此碳化硅可以极低的单位面积导通电阻实现更大的耐压——理论上，在相同的耐压下，它的单位面积漂移层电阻比硅低300倍。

 

碳化硅和氮化镓相较于传统硅的优势

能源利用的历史就是一个探索过程，旨在找到将能源从其来源形式转化为最终用途的最有效方法。

今天，我们更多地考虑如何最有效地将发电机输出转换为端电压，用于从工业电机驱动器到电动汽车电池充电器的近乎无限数量的应用。

在某种程度上，能量转换过程几乎肯定会使用功率半导体开关，而硅基开关几十年来一直是Si-MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）形式的标准。

然而，使用硅基开关固有的功率损耗长期以来一直是导致系统效率低下的一个因素。直到最近，碳化硅和氮化镓半导体才显著提高了功率转换效率，而在此之前，除了硅基开关，几乎没有别的选择。

说到这里，应该强调的是，碳化硅和氮化镓半导体不能与硅基芯片热插拔。应用电路的设计必须与之匹配，特别是在想要获得充分的性能优势的情况下。

 

碳化硅和氮化镓器件的应用

碳化硅器件已经在越来越多的应用中证明了其作为坚固耐用、最先进的驱动器的价值。使用Si-MOSFET甚至IGBT的现有应用都能安全地使用碳化硅器件进行改造。为了实现碳化硅的最大效益，还可以利用更高的开关频率和小型化的磁性元件实施新的接地设计。

氮化镓器件在低电压应用中受到青睐，因为该材料的化合物可以最好地平衡效率和性能。可能的应用包括太阳能逆变器、电信DC-DC转换器、D类音频放大器和单相交流电源。

 

碳化硅和氮化镓的工业节能能力

晶体管中的碳化硅和氮化镓技术对强劲增长的市场产生了重大影响。

例如：

• 电动汽车（EV）和交通：效率的提高降低了电池成本，增加了每次充电的行驶里程。
• 电动汽车充电基础设施：与纯硅解决方案相比，碳化硅和氮化镓的功率输出更大，充电时间缩短了一半以上，这是一个重大改进。
• 再生能源：碳化硅晶体管的功率损耗降低了50%，这直接降低了发电成本。
• 工业电源：电源效率可提高多达10%，显著降低运营成本，例如减少了运行时间和维护成本。
• 5G与通信：与替代方案相比，氮化镓的带宽和功率密度更高，对全球5G（及更高版本）的开发和部署至关重要。

 

结语

氮化镓和碳化硅芯片各自适用特定的应用，因此二者之间没有直接竞争。然而，它们凭借各自的特点主导着某些市场。例如，截至2026年，消费电子充电器预计将占到氮化镓芯片市场的66%，而汽车应用，主要是电动汽车，可能占到碳化硅芯片市场的60%。

它们具有能源效率优势，兼具紧凑的尺寸，正在彻底改变消费者和工业目前可用的电源选择，都是极具吸引力的平台，反过来又为更可持续的能源供应和使用做出了巨大贡献。

 

 

编者按

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