競爭籌碼幾何？GaN和SiC是共存還是替代呢？

如今，追求功率密度和效率是當今眾多行業創新的最大動力，包括數據中心、可再生能源、消費電子產品、電動汽車和自動駕駛汽車等。而在寬帶隙（WBG）材料行業，目前有兩種主要材料平臺——GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅），它們是推動功率半導體創新的“法寶”，正在徹底改變日益增長的巨大電力需求的電力電子行業。

GaN和SiC在性能和應用場景方面有一些重合，人們也一直在從系統角度評估這兩種材料的應用潛力。當然，研發不同產品的廠商會有不同的觀點，但不管怎樣，都需要從發展趨勢、材料成本、性能和設計機會等幾個方面對它們進行評估。

GaN滿足電力電子行業發展三大關鍵趨勢

GaN功率半導體的重要性在于，它有助于電源系統設計師和制造商滿足正在徹底改變電力電子行業的三個關鍵大趨勢的需求，而在每一個趨勢中，GaN都將發揮至關重要的作用。

首先是能源效率，預計到2050年，全球電力需求將激增超過50%，優化能源使用效率和加快向可再生能源過渡已成為當務之急。轉變的重點正在從能源效率擴展到更具挑戰性的能源獨立和與主流電網的更新整合。GaN有助于能源和存儲等領域節約能源。使用GaN的太陽能微逆變器可產生更多電能；AC-DC和逆變器可減少電池存儲系統中浪費的50%電能。

在電氣化方面，電動汽車一直是交通電氣化的焦點。事實上，在全球范圍內，特別是亞洲一些人口最稠密的城市地區，兩輪和三輪運輸模式，如自行車、摩托車和人力車也在向電動化邁進。在這些市場使用GaN功率晶體管的優勢將繼續增長，因此GaN的效率對生活質量和環境的影響將變得至關重要。

數字世界也在經歷一場巨大的變革，以滿足數據的實時需求和人工智能（AI）的快速發展。目前數據中心的功率轉換和配電技術已無法應對云和機器學習帶來的需求增長，也無法應對耗電的AI應用。通過實現節能、降低冷卻要求和提高成本效益，GaN正在重塑數據中心的電源格局。生成型AI和GaN之間的相互作用將為數據中心塑造一個更高效、可持續和穩健的未來。

GaN與SiC競爭籌碼幾何？

以前，人們對GaN功率半導體有一些誤解，認為GaN更適用于消費電子領域的充電應用。其實GaN和SiC的最大不同在于應用的電壓，對于低電壓和中電壓要求，GaN的使用效果更好，而SiC主要用于大于1200V的高壓應用，當然還要考慮電壓、性能和成本等方面的要求。

例如在PCIM Europe 2023上展示的GaN解決方案就充分體現了功率密度和效率方面的進步。與SiC晶體管設計相比，基于GaN的11kW/800V車載充電器（OBC）參考設計功率密度提高了36%，材料成本低了15%。它還結合了用于無橋圖騰柱PFC結構的三電平飛跨電容器拓撲結構和雙有源橋，GaN晶體管可將晶體管電壓應力降低50%。

SiC受限于材料有限和成本較高。

從供應鏈來看，與GaN相比，SiC更昂貴且有供應鏈限制。由于GaN是在硅晶圓上生產的，當銷量上升時價格就會很快下降；隨著時間的推移，可以很容易地預測GaN的價格與競爭力。相反，SiC的供應商數量相對較少，供應量有限，這意味著長達一年的交付周期會導致成本增加，可能無法滿足2025年及以后汽車制造商的需求。

在生產方面，GaN是“無限”可擴展的，因為它是在與數十億CMOS器件相同的硅晶圓上用相同的機器制造的。GaN很快就可以在8英寸、12英寸甚至15英寸晶圓上制造，而目前SiC MOSFET通常只能在4英寸、6英寸晶圓上制造，剛開始向8英寸碳化硅遷移。

技術性能方面，GaN是世界上最快的功率開關，并提供了比其他半導體器件更大的功率密度和更高的輸出效率。這對消費者和企業來說都有很多好處，無論是更小的外形尺寸和更快的充電速度，還是降低數據中心的冷卻成本和消耗的能源。

用GaN構建的系統比SiC具有更大的功率密度改善。隨著GaN的應用，更小尺寸的新型電源系統產品正在出現，而SiC不能用來創建像GaN這樣小的系統。GaN Systems稱，其第一代器件的性能已優于最近的第五代SiC半導體器件。隨著GaN性能在短期內5-10倍的增長，這一性能差距也將繼續擴大。

此外，由于GaN器件具有低柵極電荷、零反向恢復和平坦輸出電容等優點，能夠實現產生高質量的開關性能。對于低于1200V的中低壓應用，GaN的開關損耗至少比SiC少3倍。從工作頻率角度來看，目前大多數基于硅的設計都在60kHz到300kHz之間，SiC對頻率有一點改進，但GaN的改進更多，要達到500kHz或更高的頻率。

由于SiC通常用于1200V及更高電壓，只有部分產品可用于650V，因此限制了解決方案的設計用途，難以在30-40V的消費電子產品、48V混合動力汽車和數據中心等重要市場中發揮作用。而GaN在上述電壓水平具有卓越的能力，在數據中心、消費電子、可再生能源、汽車和工業等關鍵領域大有用武之地。

以下是兩種使用SiC和GaN的650V、15A開關電源，進行了一對一的比較。

GaN與SiC一對一比較

通過比較GaN-E-HEMT（增強型HEMT）與競爭的最佳SiC MOSFET的快速開關器件的特性發現，當用于同步降壓DC-DC轉換器應用時，使用GaN E-HEMT的轉換器表現出比使用SiC MOSFET的轉換器高得多的效率。比較結果清楚地表明，GaN E-HEMT在開關速度、寄生電容、開關損耗和熱特性方面均超過了最佳的SiC MOSFET的性能。此外，與SiC相比，GaN-E-HEMT有助于構建更緊湊、更高效的功率轉換器設計。

GaN“有條件”打敗SiC？

現在，傳統的硅技術早已達到極限，無法提供GaN所能提供的所有好處，而SiC也囿于其適用范圍。所謂“有條件”是指上面提到的應用范圍，在全球工業越來越依賴電力的情況下，對企業決策者來說，利用GaN可以改善當前的產品供應，同時創造創新解決方案以保持競爭力。

作為兩種WBG材料，之后還會有氧化鎵和銻化物等為代表的第四代半導體材料，誰都替代不了誰！

審核編輯：劉清