本文介紹第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的應(yīng)用 在電動汽車的核心部件中，車用功率模塊（當前主流技術(shù)為IGBT）占據(jù)著舉足輕重的地位，它不僅決定了電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，還占據(jù)了電機逆變器成本的40%以上。鑒于SiC（碳化硅）相較于傳統(tǒng)Si（硅）材料的顯著優(yōu)勢，SiC模塊已在汽車行業(yè)率先得到了應(yīng)用嘗試與廣泛推廣。電動汽車就采用了SiC模塊，其實物圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 車用SiC模塊

圖2 車用SiC模塊 新能源汽車領(lǐng)域正成為SiC功率器件及模塊全力滲透的重要陣地。SiC MOS并聯(lián)方案、三相全橋電控模塊，以及各大半導(dǎo)體廠商正在積極布局的汽車級SiC MOS模塊，都充分展示了SiC材料的巨大潛力。SiC材料的高功率、高頻率以及高功率密度等特性，使得電控系統(tǒng)的體積得以大幅縮減。SiC材料卓越的高溫特性也使其在新能源汽車領(lǐng)域備受矚目，得到了廣泛的重視與蓬勃發(fā)展。 SiC SBD（肖特基二極管）和SiC MOS是目前最為常見的SiC基器件。盡管IGBT結(jié)合了MOS和BJT的優(yōu)點，且SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)Si的綜合性能，但我們似乎只聽到了SiC MOS的消息，卻鮮有SiC IGBT的動靜。這主要是因為，盡管SiC具有諸多優(yōu)勢，但目前Si基IGBT仍占據(jù)市場主導(dǎo)地位。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的崛起，關(guān)于SiC的器件及模塊陸續(xù)出現(xiàn)，并嘗試取代IGBT應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)。實際上SiC并未完全取代IGBT，其主要原因就在于成本這一關(guān)鍵因素。就SiC功率器件而言，其成本大約是Si的6至9倍。目前主流的SiC晶圓尺寸為6英寸，且需要先制造Si襯底，晶圓缺陷率較高，因此相對而言其成本就比較高，在價格上并沒有太大的優(yōu)勢。所以，盡管有人嘗試開發(fā)了SiC IGBT，但在大多數(shù)應(yīng)用場合中，其價格并不會得到市場的青睞。在一些成本為主要考量因素的行業(yè)中，技術(shù)優(yōu)勢往往不如成本優(yōu)勢來得重要。當然，在一些對成本不太敏感的行業(yè)，如汽車行業(yè)，目前也僅僅是開發(fā)了SiC MOS的應(yīng)用。不過，SiC MOS的某些性能確實比Si IGBT更具優(yōu)勢。在相當長的一段時間內(nèi)，兩者將會共存使用。但由于成本因素的考量，目前并沒有開發(fā)更高性能的SiC IGBT的市場動力和技術(shù)需求。

肖特基二極管 未來，SiC IGBT最有可能首先在電力電子變壓器（PET）領(lǐng)域得到應(yīng)用。在電力轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，電力電子變壓器（PET）在智能電網(wǎng)構(gòu)建、能源互聯(lián)網(wǎng)整合、分布式可再生能源并網(wǎng)以及電力機車牽引逆變器等中高壓應(yīng)用場景中發(fā)揮著舉足輕重的作用。PET以其卓越的可調(diào)控性、高度的系統(tǒng)兼容性和優(yōu)異的電能質(zhì)量表現(xiàn)，贏得了廣泛的認可。然而，傳統(tǒng)PET技術(shù)仍面臨轉(zhuǎn)換效率低下、功率密度提升難、成本高昂及可靠性不足等挑戰(zhàn)。這些難題很大程度上源于功率半導(dǎo)體器件的耐壓能力限制，導(dǎo)致在高壓應(yīng)用中（如接近或超過10kV）需要采用復(fù)雜的多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，進而增加了功率組件、儲能元件及電感等部件的數(shù)量和整體復(fù)雜度。 為了克服上述障礙，業(yè)界正積極探索采用高性能半導(dǎo)體材料——碳化硅（SiC）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借極高的擊穿電場強度、寬廣的禁帶間隙、快速的電子飽和遷移速率以及出色的熱傳導(dǎo)性能，成為滿足高壓、高頻、大功率應(yīng)用需求的理想之選。SiC IGBT憑借其卓越的導(dǎo)通特性、超快的開關(guān)速度以及寬泛的安全工作區(qū)域，在電力電子領(lǐng)域的中高壓范圍內(nèi)（包括但不限于10kV及以下）展現(xiàn)出了非凡的性能。

GaN的應(yīng)用

氮化鎵（GaN）作為另一類重要的第三代半導(dǎo)體材料，也在電力電子領(lǐng)域有很多的應(yīng)用。GaN的性能指標，如禁帶寬度、電子遷移速率、擊穿電場強度以及最高工作溫度，均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的硅（Si）和砷化鎵（GaAs）材料，為電力電子器件和射頻器件的創(chuàng)新設(shè)計提供了堅實的基礎(chǔ)。相較于SiC，GaN在成本控制和規(guī)模化生產(chǎn)方面展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢，盡管其耐壓能力稍遜一籌，但開關(guān)速度卻更為迅猛。當GaN與SiC襯底結(jié)合使用時，可以兼顧大功率處理能力和高頻操作特性，進一步拓寬了其應(yīng)用范圍。 GaN材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，從LED照明到電力電子設(shè)備，再到射頻通信，都有其身影。特別是在5G通信網(wǎng)絡(luò)和雷達系統(tǒng)中，GaN基射頻器件已成為不可或缺的關(guān)鍵組件。在電力電子設(shè)備領(lǐng)域，GaN材料通過實現(xiàn)體積和重量的顯著減少，有效解決了高功率密度與小型化設(shè)計的矛盾。因此，GaN現(xiàn)在已經(jīng)成為輕薄型筆記本電腦和快速充電手機等消費電子產(chǎn)品中的首選材料。展望未來，GaN有望在多個領(lǐng)域逐步取代硅材料，其中，快速充電技術(shù)將是其率先實現(xiàn)大規(guī)模商用的重要領(lǐng)域。在600V左右的電壓等級下，GaN在芯片面積、電路效率以及開關(guān)頻率等方面相較于硅材料展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。 以GaNFast電源集成電路為例，該集成電路將驅(qū)動器與邏輯電路融為一體，采用650V硅基GaN FET，并以QFN封裝形式提供，支持高達10MHz的開關(guān)頻率，從而實現(xiàn)了無源元件的小型化和輕量化。此外，通過集成技術(shù)減少寄生電感，顯著提升了開關(guān)速度。這一技術(shù)突破為充電器和電源適配器的小型化、輕量化以及高效化設(shè)計提供了強有力的支持。

在器件層面，GaN半導(dǎo)體針對不同電壓等級的市場需求進行了優(yōu)化。在低壓段（如15V至數(shù)百伏），GaN與功率MOSFET等器件展開競爭；而在中高壓段（如600V、650V乃至900V以上），GaN則與硅基IGBT、MOSFET及SiC器件等展開角逐。針對不同市場的應(yīng)用需求，GaN技術(shù)不斷演進，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場景，包括電源適配器、汽車電源系統(tǒng)等。特別是900V電壓等級的GaN器件，在電動汽車、電池充電器、不間斷電源以及太陽能發(fā)電等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。與SiC相似，GaN也在積極探索電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用機會，致力于推動電動汽車技術(shù)的革新與發(fā)展。