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GaN 和 SiC,是共存还是替代?如今,功率密度和效率的追求已成为多个行业创新的主要动力，包括数据中心、可再生能源、消费电子产品、电动汽车以及自动驾驶汽车等领域。在宽带隙（W BG)材料领域,目前存在两种主要材料平台,即氮化镓（GaN)和碳化硅（SiC），它们被视为推动功率半导体创新的利器,并正在全面改变电力需求日益壮大的电力电子行业。实际上，一些碳化硅头部公司也在密切关注氮化镓的发展。今年3月，英飞凌以8.3亿美元收购了加拿大的氮化镓初创公司GaN Systems；罗姆最近在PCIMAsia展示了其最新的碳化硅和氮化镓产品，特别是EcoGaN品牌的GaNHEMT器件。当然，也有相反的趋势,例如2 0 2 2 年8 月,之前专注于氮化镓的纳微半导体（Navitas Semiconductor）收购了GeneSiC，成为唯一专注于下一代功率半导体组合的公司。的确,GaN 和 SiC 在性能和应用领域存在一些重叠之处，人们一直在从系统的角度评估这两种材料的应用潜力。当然，不同产品的制造商可能有不同的观点，但无论如何，都需要从发展趋势、材料成本、性能和设计机会等角度对它们进行评估。GaN满足电力电子行业发展三大关键趋势与其他被收购公司的CEO不同,GaN Systems的CEO JimWitham并未退出公众视野,他仍然会在不同场合露面。最近，他表示,GaN功率半导体的重要性在于它有助于电源系统设计师和制造商满足电力电子行业正在经历的三个关键大趋势，而在每一个趋势中,GaN都将发挥至关重要的作用。首先是能源效率。预计到2 0 50 年，全球电力需求将激增超过50%，因此优化能源的使用效率和加速向可再生能源的过渡已成为当务之急。转变的重点逐渐从能源效率扩展到更具挑战性的能源独立和与主流电网的整合更新。GaN 技术有助于在领域如能源和储能中实现能源节约。例如,使用GaN的太阳能微逆变器可以产生更多电能；而AC-DC和逆变器可以减少电池储能系统中浪费的电能高达50%。在电气化领域，电动汽车一直是交通电气化的焦点。实际上,在全球范围内,尤其是一些高人口密度的亚洲城市地区，自行车、摩托车和人力车等两轮、三轮交通工具也正在朝着电动化方向迈进。在这些市场,GaN功率晶体管的优势将继续增长,因此GaN的效率对生活质量和环境的影响将变得至关重要。数字领域也正在经历巨大变革,以满足数据的实时需求和人工智能（AI)的快速发展。目前的数据中心功率转换和配电技术已无法满足云计算与机器学习等需求的增长，也无法满足高耗能的AI应用。通过实现节能、减少冷却需求和提高成本效益，GaN正在重新定义数据中心的电源架构。GaN 和 AI之间的互动将有助于为数据中心打造更高效、可持续和稳定的未来。作为一位商业领袖，JimWitham深刻关注着全球环境问题。他认为,GaN 技术的前所未有的进步,将为依赖电力的各个行业带来显著进展，对全球经济产生深远影响。他赞同一些市场机构的预测,即未来五年GaN功率半导体的收入将达到6 0 亿美元,并指出在GaN和 SiC之间的竞争中,GaN具有一些独特的优势和机遇。GaN与SiC竞争筹码几何?以前,人们对GaN功率半导体存在一些误解,普遍认为GaN更适用于消费电子领域的充电应用。然而,实际上GaN和SiC的最大不同在于其应用领域的电压范围。对于低电压和中电压的需求,GaN表现出更出色的性能,而SiC主要用于大于12 0 0 V的高压应用,当然还需要考虑到电压、性能和成本等多方面的要求。例如,GaN Systems 在PCIM Europe 2023通过GaN解决方案充分展示了功率密度和效率方面的进展。与SiC晶体管设计相比,基于GaN的11kW/800V车载充电器（OBC)参考设计提高了36%的功率密度,同时降低了15%的材料成本。此外，它还采用了三电平飞越电容器拓扑结构和双有源桥用于无桥图腾柱PFC结构,GaN晶体管可将晶体管的电压应力降低50%。在电动汽车的车载充电器（OBC）、D C-D C转换器本文来源于公众号：与非网eefocus,ID：e e-f o c u s,作者立去,本文已经授权转载。2023 年第 2 1 期以及牵引逆变器等三大应用领域,GaNSystems与丰田合作开发了All-GaN-Car氮化镓电动汽车牵引逆变器的原型设计，为美国电动汽车初创公司Canoo提供了进人量产的OBC 解决方案。此外,GaN Systems与纬湃科技合作开发了GaNDC-DC转换器，该转换器可同时用于40 0 V和8 0 0 V电动汽车动力系统，为汽车制造商提供了更多的选择。在Jim Witham看来,目前有两个原因使得一些原本依赖SiC的客户将迅速转向GaN,即SiC材料有限且成本较高。为了满足不断增长的电力需求,数据中心到汽车等行业转向GaN将缩短赶上竞争对手的时间。从供应链的角度来看,相较于GaN,SiC更昂贵且面临供应链限制。因为GaN是在硅晶圆上制造的，当销量增加时，价格会迅速下降。与GaN相比,SiC供应商数量相对较少，供应量有限，这导致了长达一年的交付周期,增加了成本,可能无法满足2 0 2 5年及以后汽车制造商的需求。从生产角度来看,GaN是可“无限”扩展的,因为它是在与数十亿CMOS器件相同的硅晶圆上用相同的机器制造的。GaN很快可以在8 英寸、12 英寸甚至15英寸晶圆上制造，而目前SiCMOSFET通常只能在4英寸、6 英寸晶圆上制造，刚开始向8 英寸碳化硅迁移。在技术性能方面,GaN是世界上速度最快的功率开关，可提供比其他半导体器件更大的功率密度和更高的输出效率。这对消费者和企业都有很多好处一一无论是更小的外形尺寸和更快的充电速度,还是降低数据中心的冷却成本和能源消耗。用GaN构建的系统具有比 SiC更高的功率密度。随着GaN的应用,更小尺寸的新型电源系统产品正在涌现,而SiC无法用于创建像 GaN这样小型的系统。GaN Systems表示,其第一代器件的性能已经优于最近的第五代 SiC半导体器件。随着GaN性能在短期内增长5 10 倍,这一性能差距也将继续扩大。此外,由于GaN器件具有低栅极电荷、零反向恢复和平坦输出电容等优点，能够实现高质量的开关性能。对于低于12 0 0 V的中低压应用,GaN 的开关损耗至少比SiC少三分之一。从工作频率的角度来看，目前大多数基于硅的设计工作在6 0 kHz300kHz之间,SiC 对频率有一些改进,但 GaN 的改进更为显著，可以达到50 0 kHz或更高的频率。由于SiC通常用于12 0 0 V及更高电压,只有少数产品可用于6 50 V,这限制了解决方案的设计用途，难以在30 40 V的消费电子产品、48 V混合动力汽车和数据中心等重要市场中发挥作用。而GaN在上计算机应用文摘述电压水平下具有卓越的能力，在数据中心、消费电子、可再生能源、汽车和工业等关键领域大有用武之地。为了让工程师更好地了解GaNFET(场效应晶体管）与 SiC 的性能,GaN Systems 设计了两种使用SiC和 GaN的6 50 V、15 A 开关电源,进行了一对一的比较。通过比较GaN-E-HEMT（增强型HEMT）与竞争的最佳SiC MOSFET的快速开关器件的特性，他们发现,在同步降压 DC-DC 转换器应用中,使用 GaN E-HEMT的转换器效率远高于使用SiCMOSFET的转换器。比较结果清晰地表明,GaN E-HEMT在开关速度、寄生电容、开关损耗和热特性方面均表现出明显优势,而且相对于 SiC,GaN-E-HEMT有助于构建更紧凑、更高效的功率转换器设计。GaN有条件”打败SiC?目前，传统的硅技术早已达到极限，无法提供GaN 所能提供的所有好处,而SiC也受限于其适用范围。所谓“有条件”是指上文提到的应用范围，在全球工业越来越依赖电力的情况下,利用GaN可以改善当前的产品供应，同时创造创新解决方案以保持竞争力。随着GaN功率半导体过渡到大规模生产，对企业决策者来说,最重要的是GaN功率半导体提供了更高水平的整体性能，有助于客户提高自己的市场份额和盈利能力，降低运营成本和资本支出。英飞凌/GaNSystems在9 月推出了全新第四代氮化镓平台（Gen4GaNPowerPlatform），从2 0 2 2 年的3.2kWAI服务器电源到现在的第四代平台，不仅效率超过了8 0 Plus钛金级能效标准,功率密度也从10 0W/in提升至12 0 W/in。它不仅在能源效率及尺寸上确立了新的标杆,更提供了显著优异的性能。总之,无论是SiC公司收购GaN,还是GaN公司收购SiC,这一趋势都是为了迎合更广泛的市场和应用。此外,第四代半导体材料,如氧化镓（Ga203）和锑化物等,也将在未来斩露头角，每种材料都将有其独特的应用领域,互相替代是不太可能的。145ertransistors