面对电动汽车和数据中心两大主力应用市场，SiC和GaN该如何发力？

来源：贸泽电子

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）是宽禁带（WBG）半导体材料，由于其独特性，使其在提高电子设备的效率和性能方面起着至关重要的作用，特别是在DC/DC转换器和DC/AC逆变器领域。

对于GaN而言，与硅相比，它具有优异的电子迁移率和更高的击穿电压，能在高温、高电和高频下工作，其优势主要体现在三个方面：

一是GaN器件的导通电阻和开关损耗很低，在功率转换过程中将具有更高的效率；

二是GaN器件因其更高的功率密度而实现了紧凑的设计，非常适合小型化应用；

三是GaN晶体管可以实现更快的开关转换，从而减少开关损耗。

在DC/DC转换器中，GaN器件提高了降压/升压转换器等电压转换器的效率，尤其适合电动汽车和数据中心等应用。在DC/AC逆变器应用中，GaN器件同样大幅提高了系统的能量转换效率。

SiC是另一种宽禁带半导体，以其高温稳定性和优异的电特性而闻名，具体优势包括：SiC器件可在较高的电压水平下运行，无需在电力系统中进行复杂的电压堆叠配置；较低导通电阻意味着使用SiC器件的电源系统其传导损耗的减少和效率的提高；此外，SiC可以承受极端温度，非常适合在要求苛刻的环境中部署。

GaN和SiC半导体的优点，包括降低的开关和传导损耗、耐高温性、紧凑的尺寸和更高的电压处理能力，如此的优势可以直接转化为功率转换系统性能的提高。这些改进带来了更高的电源效率，意味着会有更大比例的输入功率被转化为有用的输出功率，以及更高的功率密度，从而能够开发出更小、更强大、更节能的电子系统。这些好处在电动汽车、可再生能源系统、工业自动化和铁路行业等应用中尤为显著，而在这些应用中，空间、重量和能源效率均是关键考虑因素。

SiC和GaN器件两大主力应用

电源是所有电子系统的重要组成部分，从手持电子产品到大型工业设备，而小型化和提高能源效率是这些行业永恒的主题。

SiC和GaN在该领域的应用首推数据中心和汽车。这是因为：

数据中心

数据中心需要紧凑的电源解决方案和极高的能效，能效对于极大限度地降低运营成本以及减少热量和冷却所需的空间非常重要。SiC肖特基二极管和GaN HEMT是实现高效紧凑的服务器电源的重要部件。基于GaN HEMT的电源通过提供更高的固有转换效率和使用更小的电感器和电容器来达成这一目标。在大型数据中心中，常常通过减少交流/直流转换的次数来提高配电效率，故而高压直流电源的使用不断增加，SiC器件的特性恰好满足这种类型的应用。

汽车

汽车是另一个在重量和空间上面临挑战的领域。随着电动汽车和混合动力汽车市场的增长，高效的能源转换变得更加关键，将具有更高性能的系统经济高效地集成到重量更小、效率更高、体积更小的能源系统中的压力越来越大。

GaN和SiC功率模块可以帮助实现电动汽车和混合动力汽车系统的许多设计目标，从发动机和动力传动系到车辆导航和控制，再到驾驶控制台和信息娱乐，从提高效率和功率密度中受益的汽车应用遍布整个车辆。用低损耗SiC器件代替逆变器中使用的硅器件将使逆变器高效轻便，从而延长电动汽车的行驶里程并降低电池负载能力。此外，具有高耐压和高频操作的SiC器件还是电动汽车快速充电器和非接触式电力传输的极佳选择。


图1：用SiC MOSFET代替逆变器级中的硅基IGBT和二极管，可以提高效率、减小外形尺寸、降低冷却要求（图源：STMicroelectronics）

值得注意的是，数据中心和电动汽车只是电源解决方案实现创新设计的两个领域。智能工厂、智能办公室、智能家居和智能电网都可以从宽禁带GaN和SiC技术提供的更高的功率转换效率和卓越的功率密度中受益。

影响电动汽车的市场走向

通过克服电动汽车固有的一些局限性，SiC和GaN技术正在成为电动汽车和混合动力汽车成功的关键。与传统的硅器件相比，SiC和GaN器件提供了一系列优异的功能，包括较低的损耗、较高的开关频率、较高的工作温度、在恶劣环境中的鲁棒性和较高的击穿电压。

2008年，SiC MOSFET的商业化标志着功率半导体市场的一个重大转折点，代表了其几十年来的首次重大发展。

目前，SiC被配置为专为多种电动汽车应用而设计的关键技术，如牵引逆变器、车载充电器（OBC）和DC/DC功率转换器。IDTechEx在分析了Si IGBT、SiC MOSFET和GaN HEMT的采用情况之后发现，2023年SiC逆变器约占纯电动汽车市场的28%，预计到2035年，市场规模将增长到360亿美元。

电动汽车中的电力牵引电机逆变器，是电气化推进系统中的关键部件。逆变器的主要功能是将直流电压转换为三相交流波形，以驱动汽车发动机，然后将再生制动产生的交流电压转换为直流电压，为电池反向充电。为了驱动电动机，逆变器需将存储在电池组中的能量转换为交流电，因此转换阶段的损耗越低，系统的效率就越高。

SiC器件拥有比硅器件更高的导电性和更高的开关频率，大幅减少了逆变器的功率损失。如今，许多电动汽车制造商开始将SiC功率模块集成到主逆变器中。SiC MOSFET具有较小的外形尺寸，还可以减小配套无源元件的尺寸，例如牵引逆变器中的电感器。与使用硅作为等效产品相比，采用SiC作为电动汽车逆变器可以将其尺寸减小约5倍，重量减轻约3倍，功耗缩减一半。通过使用SiC MOSFET，可以在降低电池容量的情况下获得相同的续航里程。例如，通过在逆变器中将Si IGBT切换到SiC MOSFET，BEV的续航里程可以增加约7%。

开始时，SiC MOSFET和更大的电池仅用于具有更长续航里程的高端电动汽车。随着设施的快速扩大，性能、可靠性和生产能力等方面的障碍得到了解决，大幅降低了SiC MOSFET的成本。尽管SiC MOSFET的平均价格仍然是同等Si IGBT的3倍，但其优异的特性使其成为众多头部车企所采用的解决方案，目前，SiC MOSFET正在成为电动汽车电源系统的首选技术。根据IDTechEx的预测，得益于更高的效率和更高电压平台的采用，主要是在逆变器、车载充电器、DC-DC转换器中的应用，在2023年至2035年期间，SiC MOSFET的需求将增加10倍。

由STMicroelectronics提供的SCT011H75G3AG，是汽车级750V碳化硅功率MOSFET，采用公司第三代SiC MOSFET技术，在整个温度范围内具有非常低的RDS(on)，约为11.4mΩ，结合低电容和非常高的开关操作，在频率、能效、系统尺寸和重量减轻方面提高了应用性能，优化了电动汽车的系统尺寸和重量，可有效延长车辆的里程范围。基于SiC 的 800V电动汽车平台电驱系统可实现更快的充电速度，同时降低了电动汽车的重量。

针对下一代电动汽车电驱系统的关键部件逆变器的需求，STMicroelectronics再次优化了其SiC MOSFET技术，并在今年宣布公司第四代SiC技术问世。基于第四代技术的SiC产品有望在能效、功率密度和稳健性三个方面成为新的市场标杆。STMicroelectronics新的SiC MOSFET产品有750V和1200V两个电压等级，可分别提高400V和800V电动汽车平台电驱逆变器的能效和性能。由于其导通电阻 (RDS(on))明显低于前几代产品，开关速度更快，开关损耗更低，这些参数对于高频应用至关重要，因此可实现更紧凑、更高效的电源转换器。以25℃时的RDS(on)为参考，第四代器件的裸片平均尺寸比第三代器件减小12-15%。


图2：采用第三代SiC MOSFET技术的汽车级产品SCT011H75G3AG（图源：STMicroelectronics）

电动汽车充电系统又称OBC，为电动车必备的充电设备，负责将市电的交流电转为直流电对电动车电池进行充电。由于WBG半导体的击穿电压要高得多，而导通电阻又非常小，有助于简化OBC的设计并提高了充电电路的效率。

在典型的电动汽车OBC中，SiC二极管已获广泛使用。采用GaN技术的OBC设计可以简化冷却系统，减少充电时间和能量损失。双向OBC允许电动汽车作为能量库或其他用途的能源，并帮助稳定电网内的负载。基于GaN和SiC器件的OBC实现了先进的双向拓扑结构，同时优化功率转换器配置。

GaN HEMT是一种新兴技术，具有关键的效率优势，可能是电动汽车市场的下一个主要颠覆者。虽然SiC MOSFET和GaN HEMT之间存在相当大的应用重叠，但两者都将在汽车功率半导体市场占有一席之地。

Infineon的GS66516B是650V增强型氮化镓晶体管（650V GaN E-HEMT），采用的GaNPX封装可实现小型封装中的低电感和低热阻，RDS(on)仅为25mΩ，可为要求苛刻的高功率应用提供极低的结至外壳热阻，在车载OBC中实现非常高效的功率变换。


图3：可用于电动汽车OBC的650V GaN E-HEMT（图源：Infineon)

未来的数据中心电源单元将融合三种半导体类型

SiC和GaN等化合物半导体正在为我们的生活开辟新的可能性。在大型数据中心，高压直流电源的使用正在增加，因为它可以通过减少交流/直流转换的次数来提高配电效率。根据当前的技术，SiC肖特基二极管和GaN HEMT无疑是数据中心使用的高电压和高效率电源的强有力技术支撑，它们可有效地实现高效紧凑的服务器电源。

近期，Infineon推出了一系列专门为人工智能数据中心设计的先进电源单元（PSU），这些功率从3KW到12KW不等的PSU利用新的WBG半导体技术实现了极高的效率。该PSU使用混合开关方法，集成了三种类型的半导体，包括SiC、GaN和Si，以优化性能。

SiC因其较低的RDS（on）温度系数而用于无桥图腾柱功率因数校正（PFC），提高了高温下的效率。

GaN晶体管用于高频全桥谐振转换器（LLC），因为它们的电容较低，能够实现更高的开关频率和更高的功率密度。

Si器件用于开关损耗极小的地方，提供低RDS（on）。

其中的关键组件包括CoolSiC MOSFET（650V）、CoolGaN晶体管（650V）、CoolMOS 8 SJ MOSFET（600V）、ColdSiC肖特基二极管（650V）和OptiMOS 5功率MOSFET（80V）。该PSU实现了98%的基准效率，降低了冷却要求，提高了整体系统可靠性。

图4：AI数据中心8kW PSU解决方案系统方框图（图源：Infineon）

SiC和GaN器件未来应用全景展望

硅IGBT开关频率的绝对上限为100kHz。SiC将频率增加了一个数量级，达到约1MHz，而GaN可以提高十倍，达到10MHz。SiC和GaN均属WBG半导体，由于GaN的带隙比SiC更宽，理论上，SiC的效率优势可能会被GaN超越。

然而，这只是故事的一面，GaN在电力电子领域的应用存在较大障碍。

首先，对于超高开关频率，工程师需要解决多种技术问题，如EMI（电磁干扰）、栅极控制、寄生效应、热效应和增加的开关损耗。

其次，在器件级别，SiC MOSFET和GaN HEMT实际上非常不同。GaN器件通常生长在硅基板上，虽然硅基板的成本比SiC和蓝宝石等替代品低得多，但它限制了GaN器件的潜力，将其限制在横向配置和低电压下，使其无法在电动汽车的牵引逆变器中使用，因为电动汽车通常在600V-1200V和数百千瓦下运行。

尽管GaN功率器件在商业水平上似乎略落后于SiC，但由于其卓越的效率性能，它们正在迅速获得市场份额。IDTechEx在其“2025-2035年电动汽车电力电子：技术、市场和预测”报告中指出，GaN在汽车低压辅助电子产品中占有很大的市场份额，这些电子产品不仅存在于电动汽车中，也存在于轻度混合动力汽车和内燃机汽车中。

SiC和GaN技术在推动电动汽车和充电基础设施普及，提供更长的行驶里程和更短的充电时间方面发挥了主导作用。未来的电动汽车将通过使用GaN和SiC的战略组合来释放其全部潜力并满足日益增长的市场期望。虽然SiC可能仍然是高压下的首选技术，但电动汽车可以利用GaN器件在较低电压下的优势来提高功率密度和效率。使用SiC和GaN来满足电动汽车设计要求现已成为下一代汽车设计的标准，未来十年，人们可以期待Si、SiC和GaN在电动汽车电力电子生态系统中共存。

同样，人工智能服务器数据中心的电源系统也将受益于SiC和GaN带来的技术优势。据GMI的预测，2023年，SiC和GaN功率半导体市场的价值为22.4亿美元，预计2024年至2032年的复合年增长率将超过25%。在市场上，能效和降低功耗是推动采用的关键优势。