e絡盟技術團隊
提高工業能源效率是制造業的主要趨勢之一。隨著全球越來越多地轉向使用電力,所謂提高工業能源效率,就是指改進電力電子設備的運行,例如,投資于節能電機來最大限度地節省開支。
當前,大多數電子設備采用的都是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET),其于1959年在貝爾實驗室誕生,并在20世紀60年代早期獲得廣泛采用。MOSFET通過改變施加在柵極端子上的電壓來控制器件通道的電導率,從而實現信號放大或開關和功率處理等操作。
與傳統的雙極晶體管相比,MOSFET的主要優點是幾乎不需要輸入電流來控制負載電流。MOSFET也有一定的缺點,最明顯的是使用壽命短,對過載電壓較為敏感。
與硅基器件相比,新材料有了顯著的改進,表現在損耗更小、速度更快、成本更低。此處所說的新材料包括氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。這些新材料的特點之一是帶隙更寬,這是固體中電子不能存活的能量范圍,也是固體材料可以導電的因素之一。帶隙越寬,就能承受越高的電壓和溫度。
氮化鎵是什么?
氮化鎵(GaN)是一種非常堅硬且機械性能穩定的半導體。與帶隙約為1.12eV的硅基等效材料相比,氮化鎵的帶隙達到3.2 eV,擊穿強度更高,開關速度更快,導熱性更高且電阻更低。
具有此寬帶隙的氮化鎵可用于光電高功率和高頻器件。例如,氮化鎵MOSFET是微波和太赫茲(THz)器件功率放大器的理想基礎,用于成像和傳感等應用,以及射頻(RF)元件和發光二極管(LED)。這些優勢意味著氮化鎵已經證明了它能夠在功率轉換、射頻和模擬應用中取代硅半導體。
由于氮化鎵晶體可以在包括硅在內的各種基材上生長,因此可以使用現有的硅制造基礎設施,包括現有的大直徑硅晶圓。
與硅相比,氮化鎵具備幾個有優勢的特性。包括導通電阻更低,這樣可以降低電導損耗,繼而降低能源成本。由于氮化鎵半導體本質上比硅更高效,因此消耗的熱量更少,系統尺寸更小,材料成本也就更低。
這種材料還支持使用更高的開關頻率提高器件速度,這反過來又支持在電源電路中使用更小的電感和電容器。隨著頻率增加10倍,電容和電感減少10倍,重量、體積和成本都在大幅降低。在電機驅動應用中,更高的頻率還可以降低噪音。此外,它們還能實現更高功率的無線電力傳輸,以及充電元件和充電器件之間更大的傳輸接收氣隙。
與硅相比,氮化鎵器件可以適應更高的開關頻率和工作溫度,對冷卻要求更低,并可使用更小的散熱器以及從液體冷卻轉向空氣冷卻,因此無需使用風扇。
使用氮化鎵半導體,可以降低系統總成本。雖然氮化鎵半導體的成本通常比硅高,但無源電感和電容元件、濾波器和冷卻等元件的尺寸和成本的減少可以節省10%-20%的成本。
碳化硅是什么?
碳化硅(SiC)是一種由硅和碳化物組成的化合物半導體。 碳化硅的帶隙為3.4 eV,是硅的三倍,優點很多,包括擊穿電場強度是硅的十倍,這使得它可以配置從600V到數千伏的高功率器件電壓。
碳化硅兼具高耐壓、低導通電阻、高速運行和更高的工作溫度等優點,大大擴展了應用范圍。從本質上講,碳化硅實現了單獨使用硅時無法實現的性能,是下一代功率器件中硅的最佳替代品。
高壓器件的大部分電阻元件都位于漂移層,因此碳化硅可以極低的單位面積導通電阻實現更大的耐壓——理論上,在相同的耐壓下,它的單位面積漂移層電阻比硅低300倍。
碳化硅和氮化鎵相較于傳統硅的優勢
能源利用的歷史就是一個探索過程,旨在找到將能源從其來源形式轉化為最終用途的最有效方法。
今天,我們更多地考慮如何最有效地將發電機輸出轉換為端電壓,用于從工業電機驅動器到電動汽車電池充電器的近乎無限數量的應用。
在某種程度上,能量轉換過程幾乎肯定會使用功率半導體開關,而硅基開關幾十年來一直是Si-MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)形式的標準。
然而,使用硅基開關固有的功率損耗長期以來一直是導致系統效率低下的一個因素。直到最近,碳化硅和氮化鎵半導體才顯著提高了功率轉換效率,而在此之前,除了硅基開關,幾乎沒有別的選擇。
說到這里,應該強調的是,碳化硅和氮化鎵半導體不能與硅基芯片熱插拔。應用電路的設計必須與之匹配,特別是在想要獲得充分的性能優勢的情況下。
碳化硅和氮化鎵器件的應用
碳化硅器件已經在越來越多的應用中證明了其作為堅固耐用、最先進的驅動器的價值。使用Si-MOSFET甚至IGBT的現有應用都能安全地使用碳化硅器件進行改造。為了實現碳化硅的最大效益,還可以利用更高的開關頻率和小型化的磁性元件實施新的接地設計。
氮化鎵器件在低電壓應用中受到青睞,因為該材料的化合物可以最好地平衡效率和性能。可能的應用包括太陽能逆變器、電信DC-DC轉換器、D類音頻放大器和單相交流電源。
碳化硅和氮化鎵的工業節能能力
晶體管中的碳化硅和氮化鎵技術對強勁增長的市場產生了重大影響。
例如:
- 電動汽車(EV)和交通:效率的提高降低了電池成本,增加了每次充電的行駛里程。
- 電動汽車充電基礎設施:與純硅解決方案相比,碳化硅和氮化鎵的功率輸出更大,充電時間縮短了一半以上,這是一個重大改進。
- 再生能源:碳化硅晶體管的功率損耗降低了50%,這直接降低了發電成本。
- 工業電源:電源效率可提高多達10%,顯著降低運營成本,例如減少了運行時間和維護成本。
- 5G與通信:與替代方案相比,氮化鎵的帶寬和功率密度更高,對全球5G(及更高版本)的開發和部署至關重要。
結語
氮化鎵和碳化硅芯片各自適用特定的應用,因此二者之間沒有直接競爭。然而,它們憑借各自的特點主導著某些市場。例如,截至2026年,消費電子充電器預計將占到氮化鎵芯片市場的66%,而汽車應用,主要是電動汽車,可能占到碳化硅芯片市場的60%。
它們具有能源效率優勢,兼具緊湊的尺寸,正在徹底改變消費者和工業目前可用的電源選擇,都是極具吸引力的平臺,反過來又為更可持續的能源供應和使用做出了巨大貢獻。
編者按
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