【导读】从2001年左右开始，化合物半导体氮化镓引发了一场照明革命，从某些方面来看，这是人类历史上最快的技术变革。根据国际能源署的一项研究，在短短二十年内，基于氮化镓的发光二极管在全球照明市场中的份额已从零增长到超过50%。研究公司 Mordor Intelligence 最近预测，在全球范围内，LED 照明将在未来七年内将照明用电量减少30%至40%。根据联合国环境规划署的数据 ，在全球范围内，照明约占用电量的20%和二氧化碳排放量的6% 。

这场革命远未结束。确实，它即将跃升至更高的层次。改变了照明行业的半导体技术氮化镓 (GaN) 也是电力电子革命的一部分，这场革命正在蓄势待发。因为化合物半导体中的一种——碳化硅 (SiC)——已经开始在巨大而重要的电力电子领域取代硅基电子产品。

GaN和SiC器件比它们正在替代的硅元件性能更好、效率更高。全世界有数以亿计的此类设备，其中许多每天运行数小时，因此节省的能源将是巨大的。与GaN LED取代白炽灯和其他传统照明相比，GaN和SiC电力电子产品的兴起最终将对地球气候产生更大的积极影响。

几乎所有必须将交流电转换为直流电或将直流电转换为直流电的地方，浪费的功率都会减少。这种转换发生在手机或笔记本电脑的壁式充电器、为电动汽车供电的更大的充电器和逆变器以及其他地方。随着其他硅据点也落入新半导体，将会有类似的节省。无线基站放大器是不断增长的应用之一，这些新兴半导体在这些应用中显然具有优势。在减缓气候变化的努力中，消除功耗浪费是唾手可得的成果，而这些半导体正是我们收获它的方式。

这是技术史上常见模式的新实例：两项相互竞争的创新同时取得成果。这一切将如何摆脱？SiC将在哪些应用领域占据主导地位，而GaN将在哪些领域占据主导地位？认真审视这两种半导体的相对优势可以为我们提供一些可靠的线索。

宽禁带半导体

化合物半导体被称为宽禁带(WBG)器件。若不评介晶格结构、能级和其他令人头疼的半导体物理学，我们只说WBG的定义是一个试图描述电流(电子)如何在化合物半导体中流动的模型。

WBG化合物半导体具有较高的电子迁移率和较高的带隙能量，转化为优于硅的特性。由WBG化合物半导体制成的晶体管具有更高的击穿电压和对高温的耐受性。这些器件在高压和高功率应用中比硅更有优势。

与硅相比，WBG晶体管的开关速度也更快，可在更高的频率下工作。更低的“导通”电阻意味着它们耗散的功率更小，从而提升能效。这种独特的特性组合使这些器件对汽车应用中一些最严苛要求的电路具有吸引力，特别是混合动力和电动车。

当然，SiC和GaN也有各自与众不同的特性，主要可分为以下两点：

性能对比

碳化硅和氮化镓半导体通常也被称为化合物半导体，因为他们是由选自周期表中的多个元素组成的。下图比较了Si、SiC和GaN材料的性能，这些材料的属性对电子器件的基本性能特点产生重大影响。

对于射频和开关电源设备而言，显然SiC和GaN两种材料的性能都优于单质硅的，他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的漏电流中操作。高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率。然而SiC电子迁移率高于Si，GaN的电子迁移率又高于SiC，这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最佳设备材料。

另外，高导热系数意味着材料在更有效地传导热量方面占优势。SiC比GaN和Si具有更高的热导率，意味着SiC器件比GaN或Si从理论上可以在更高的功率密度下操作。当高功率是一个关键的理想设备特点时，高导热系数结合宽带隙、高临界场的SiC半导体具有一定优势。GaN相对较差的导热性，使系统设计人员处理氮化镓器件的热量管理面临一个挑战。

应用对比

GaN和SiC在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。

GaN：目前主要用于射频器件、电力电子功率器件以及光电器件。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性，相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。由于5G基站会用到多发多收天线阵列方案，GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进，因此5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

SiC：SiC能大大降低功率转换中的开关损耗，因此具有更好的能源转换效率，更容易实现模块的小型化，更耐高温，目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件，如智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电。其中，新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素，主要的应用器件有功率控制单元(PCU)、逆变器，DC-DC转换器、车载充电器等。

GaN 与 SiC的竞争

考虑到这些相对优势和劣势，让我们逐一考虑各个应用程序，并阐明事情可能如何发展。

电动汽车逆变器和转换器

特斯拉在2017年为其Model 3的车载或牵引逆变器采用SiC，这是该半导体的早期重大胜利。在电动汽车中，牵引逆变器将电池的直流电转换为电机的交流电。逆变器还通过改变交流电的频率来控制电机的速度。据新闻报道，如今，梅赛德斯-奔驰和Lucid Motors也在其逆变器中使用SiC，其他电动汽车制造商也计划在即将推出的车型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供应。EV牵引逆变器的功率范围通常从小型EV的约35kW到100kW到大型车辆的约400kW。

然而，将这场竞赛称为SiC还为时过早。正如我所指出的，要打入这个市场，GaN供应商必须提供1,200-V的器件。电动汽车电气系统现在通常仅在400伏电压下运行，但保时捷Taycan拥有800伏系统，奥迪、现代和起亚的电动汽车也是如此。预计其他汽车制造商将在未来几年效仿。（Lucid Air有一个 900-V系统。）我希望在2025年看到第一个商用1,200-V GaN晶体管。这些设备不仅将用于车辆，还将用于高速公共EV充电器。

GaN可能实现的更高开关速度将成为EV逆变器的一个强大优势，因为这些开关采用了所谓的硬开关技术。在这里，提高性能的方法是非常快速地从打开切换到关闭，以最大限度地减少设备保持高电压 和通过高电流的时间。

除逆变器外，电动汽车通常还配备车载充电器，可通过将交流电转换为直流电，利用壁（市电）电流为车辆充电。在这里，GaN再次非常有吸引力，原因与使其成为逆变器的理想选择的原因相同。

电网应用

至少在未来十年内，用于额定电压为3kV或更高的设备的超高压电源转换仍将是SiC的领域。这些应用包括有助于稳定电网、将交流电转换为直流电并在传输级电压下再次转换回来的系统，以及其他用途。

手机、平板电脑和笔记本电脑充电器

从2019年开始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司开始销售基于GaN的壁式充电器。

GaN的高开关速度及其普遍较低的成本使其成为低功率市场（25至500W）的主导者，在这些市场中，这些因素以及小尺寸和稳健的供应链至关重要。这些早期的GaN功率转换器具有高达300kHz的开关频率和超过92%的效率。他们创造了功率密度记录，数字高达每立方英寸30W（1.83W/cmm³）——大约是他们正在更换的硅基充电器密度的两倍。

太阳能微型逆变器

近年来，太阳能发电在电网规模和分布式（家庭）应用中都取得了成功。对于每个安装，都需要一个逆变器将太阳能电池板的直流电转换为交流电，为家庭供电或将电能释放到电网。今天，电网规模的光伏逆变器是硅 IGBT和SiC MOSFET的领域。但GaN将开始进军分布式太阳能市场，尤其是。

传统上，在这些分布式安装中，所有太阳能电池板都有一个逆变器箱。但越来越多的安装人员更喜欢这样的系统，其中每个面板都有一个单独的微型逆变器，并且在为房屋供电或为电网供电之前将交流电组合起来。这样的设置意味着系统可以监控每个面板的操作，以优化整个阵列的性能。

微型逆变器或传统逆变器系统对现代数据中心至关重要。再加上电池，他们创造了一个不间断的电源，以防止停电。此外，所有数据中心都使用功率因数校正电路，调整电源的交流波形以提高效率并消除可能损坏设备的特性。对于这些，GaN提供了一种低损耗且经济的解决方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站

GaN的卓越速度和高功率密度将使其能够赢得并最终主导微波领域的应用，尤其是5G和6G无线以及商业和军用雷达。这里的主要竞争是硅LDMOS器件阵列，它们更便宜但性能较低。事实上，GaN在4GHz及以上的频率上没有真正的竞争对手。

对于5G和6G无线，关键参数是带宽，因为它决定了硬件可以有效传输多少信息。下一代5G系统将拥有近1GHz的带宽，可实现超快的视频和其他应用。

使用绝缘体上硅技术的微波通信系统提供了一种使用高频硅器件的5G+解决方案，其中每个器件的低输出功率都通过大量阵列来克服。GaN和硅将在这个领域共存一段时间。特定应用程序的赢家将取决于系统架构、成本和性能之间的权衡。

雷达

美国军方正在部署许多基于GaN电子设备的地面雷达系统。其中包括由 Northrup-Grumman 为美国海军陆战队建造的地面/空中任务导向雷达和有源电子扫描阵列雷达。雷神公司的SPY6雷达已交付给美国海军，并于2022年12月进行了首次海上测试。该系统大大扩展了舰载雷达的范围和灵敏度。

宽带隙之战才刚刚开始

如今，SiC在EV逆变器中占据主导地位，而且通常在电压阻断能力和功率处理能力至关重要且频率较低的地方。GaN是高频性能至关重要的首选技术，例如5G和6G基站，以及雷达和高频功率转换应用，例如墙上插头适配器、微型逆变器和电源。

但GaN和SiC之间的拉锯战才刚刚开始。无论竞争如何，一个应用一个应用，一个市场一个市场，我们可以肯定地说，地球环境将成为赢家。随着这一技术更新和复兴的新周期势不可挡地向前发展，未来几年将避免数十亿吨温室气体排放。

来源：贤集网

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