第三代宽禁带功率半导体的应用

本文介绍第三代宽禁带功率半导体的应用 在电动汽车的核心部件中，车用功率模块（当前主流技术为IGBT）占据着举足轻重的地位，它不仅决定了电驱动系统的关键性能，还占据了电机逆变器成本的40%以上。鉴于SiC（碳化硅）相较于传统Si（硅）材料的显著优势，SiC模块已在汽车行业率先得到了应用尝试与广泛推广。电动汽车就采用了SiC模块，其实物图分别如图1和图2所示。

图1 车用SiC模块

图2 车用SiC模块 新能源汽车领域正成为SiC功率器件及模块全力渗透的重要阵地。SiC MOS并联方案、三相全桥电控模块，以及各大半导体厂商正在积极布局的汽车级SiC MOS模块，都充分展示了SiC材料的巨大潜力。SiC材料的高功率、高频率以及高功率密度等特性，使得电控系统的体积得以大幅缩减。SiC材料卓越的高温特性也使其在新能源汽车领域备受瞩目，得到了广泛的重视与蓬勃发展。 SiC SBD（肖特基二极管）和SiC MOS是目前最为常见的SiC基器件。尽管IGBT结合了MOS和BJT的优点，且SiC作为第三代宽禁带半导体材料具有优于传统Si的综合性能，但我们似乎只听到了SiC MOS的消息，却鲜有SiC IGBT的动静。这主要是因为，尽管SiC具有诸多优势，但目前Si基IGBT仍占据市场主导地位。随着第三代宽禁带半导体材料的崛起，关于SiC的器件及模块陆续出现，并尝试取代IGBT应用到相关行业。实际上SiC并未完全取代IGBT，其主要原因就在于成本这一关键因素。就SiC功率器件而言，其成本大约是Si的6至9倍。目前主流的SiC晶圆尺寸为6英寸，且需要先制造Si衬底，晶圆缺陷率较高，因此相对而言其成本就比较高，在价格上并没有太大的优势。所以，尽管有人尝试开发了SiC IGBT，但在大多数应用场合中，其价格并不会得到市场的青睐。在一些成本为主要考量因素的行业中，技术优势往往不如成本优势来得重要。当然，在一些对成本不太敏感的行业，如汽车行业，目前也仅仅是开发了SiC MOS的应用。不过，SiC MOS的某些性能确实比Si IGBT更具优势。在相当长的一段时间内，两者将会共存使用。但由于成本因素的考量，目前并没有开发更高性能的SiC IGBT的市场动力和技术需求。

肖特基二极管 未来，SiC IGBT最有可能首先在电力电子变压器（PET）领域得到应用。在电力转换技术领域，电力电子变压器（PET）在智能电网构建、能源互联网整合、分布式可再生能源并网以及电力机车牵引逆变器等中高压应用场景中发挥着举足轻重的作用。PET以其卓越的可调控性、高度的系统兼容性和优异的电能质量表现，赢得了广泛的认可。然而，传统PET技术仍面临转换效率低下、功率密度提升难、成本高昂及可靠性不足等挑战。这些难题很大程度上源于功率半导体器件的耐压能力限制，导致在高压应用中（如接近或超过10kV）需要采用复杂的多级串联结构，进而增加了功率组件、储能元件及电感等部件的数量和整体复杂度。 为了克服上述障碍，业界正积极探索采用高性能半导体材料——碳化硅（SiC）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。SiC作为第三代宽禁带半导体材料，凭借极高的击穿电场强度、宽广的禁带间隙、快速的电子饱和迁移速率以及出色的热传导性能，成为满足高压、高频、大功率应用需求的理想之选。SiC IGBT凭借其卓越的导通特性、超快的开关速度以及宽泛的安全工作区域，在电力电子领域的中高压范围内（包括但不限于10kV及以下）展现出了非凡的性能。

GaN的应用

氮化镓（GaN）作为另一类重要的第三代半导体材料，也在电力电子领域有很多的应用。GaN的性能指标，如禁带宽度、电子迁移速率、击穿电场强度以及最高工作温度，均显著优于传统的硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料，为电力电子器件和射频器件的创新设计提供了坚实的基础。相较于SiC，GaN在成本控制和规模化生产方面展现出更大的优势，尽管其耐压能力稍逊一筹，但开关速度却更为迅猛。当GaN与SiC衬底结合使用时，可以兼顾大功率处理能力和高频操作特性，进一步拓宽了其应用范围。 GaN材料的应用领域非常广泛，从LED照明到电力电子设备，再到射频通信，都有其身影。特别是在5G通信网络和雷达系统中，GaN基射频器件已成为不可或缺的关键组件。在电力电子设备领域，GaN材料通过实现体积和重量的显著减少，有效解决了高功率密度与小型化设计的矛盾。因此，GaN现在已经成为轻薄型笔记本电脑和快速充电手机等消费电子产品中的首选材料。展望未来，GaN有望在多个领域逐步取代硅材料，其中，快速充电技术将是其率先实现大规模商用的重要领域。在600V左右的电压等级下，GaN在芯片面积、电路效率以及开关频率等方面相较于硅材料展现出了显著的优势。 以GaNFast电源集成电路为例，该集成电路将驱动器与逻辑电路融为一体，采用650V硅基GaN FET，并以QFN封装形式提供，支持高达10MHz的开关频率，从而实现了无源元件的小型化和轻量化。此外，通过集成技术减少寄生电感，显著提升了开关速度。这一技术突破为充电器和电源适配器的小型化、轻量化以及高效化设计提供了强有力的支持。

在器件层面，GaN半导体针对不同电压等级的市场需求进行了优化。在低压段（如15V至数百伏），GaN与功率MOSFET等器件展开竞争；而在中高压段（如600V、650V乃至900V以上），GaN则与硅基IGBT、MOSFET及SiC器件等展开角逐。针对不同市场的应用需求，GaN技术不断演进，以适应更广泛的应用场景，包括电源适配器、汽车电源系统等。特别是900V电压等级的GaN器件，在电动汽车、电池充电器、不间断电源以及太阳能发电等领域展现出巨大的应用潜力。与SiC相似，GaN也在积极探索电动汽车领域的应用机会，致力于推动电动汽车技术的革新与发展。