本文介紹第三代寬禁帶功率半導體的應用 在電動汽車的核心部件中，車用功率模塊（當前主流技術為IGBT）占據著舉足輕重的地位，它不僅決定了電驅動系統的關鍵性能，還占據了電機逆變器成本的40%以上。鑒于SiC（碳化硅）相較于傳統Si（硅）材料的顯著優勢，SiC模塊已在汽車行業率先得到了應用嘗試與廣泛推廣。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并聯方案、三相全橋電控模塊，以及各大半導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域備受矚目，得到了廣泛的重視與蓬勃發展。 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結合了MOS和BJT的優點，且SiC作為第三代寬禁帶半導體材料具有優于傳統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具有諸多優勢，但目前Si基IGBT仍占據市場主導地位。隨著第三代寬禁帶半導體材料的崛起，關于SiC的器件及模塊陸續出現，并嘗試取代IGBT應用到相關行業。實際上SiC并未完全取代IGBT，其主要原因就在于成本這一關鍵因素。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勢。所以，盡管有人嘗試開發了SiC IGBT，但在大多數應用場合中，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中，技術優勢往往不如成本優勢來得重要。當然，在一些對成本不太敏感的行業，如汽車行業，目前也僅僅是開發了SiC MOS的應用。不過，SiC MOS的某些性能確實比Si IGBT更具優勢。在相當長的一段時間內，兩者將會共存使用。但由于成本因素的考量，目前并沒有開發更高性能的SiC IGBT的市場動力和技術需求。

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）領域得到應用。在電力轉換技術領域，電力電子變壓器（PET）在智能電網構建、能源互聯網整合、分布式可再生能源并網以及電力機車牽引逆變器等中高壓應用場景中發揮著舉足輕重的作用。PET以其卓越的可調控性、高度的系統兼容性和優異的電能質量表現，贏得了廣泛的認可。然而，傳統PET技術仍面臨轉換效率低下、功率密度提升難、成本高昂及可靠性不足等挑戰。這些難題很大程度上源于功率半導體器件的耐壓能力限制，導致在高壓應用中（如接近或超過10kV）需要采用復雜的多級串聯結構，進而增加了功率組件、儲能元件及電感等部件的數量和整體復雜度。 為了克服上述障礙，業界正積極探索采用高性能半導體材料——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性能，成為滿足高壓、高頻、大功率應用需求的理想之選。SiC IGBT憑借其卓越的導通特性、超快的開關速度以及寬泛的安全工作區域，在電力電子領域的中高壓范圍內（包括但不限于10kV及以下）展現出了非凡的性能。

GaN的應用

氮化鎵（GaN）作為另一類重要的第三代半導體材料，也在電力電子領域有很多的應用。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，均顯著優于傳統的硅（Si）和砷化鎵（GaAs）材料，為電力電子器件和射頻器件的創新設計提供了堅實的基礎。相較于SiC，GaN在成本控制和規模化生產方面展現出更大的優勢，盡管其耐壓能力稍遜一籌，但開關速度卻更為迅猛。當GaN與SiC襯底結合使用時，可以兼顧大功率處理能力和高頻操作特性，進一步拓寬了其應用范圍。 GaN材料的應用領域非常廣泛，從LED照明到電力電子設備，再到射頻通信，都有其身影。特別是在5G通信網絡和雷達系統中，GaN基射頻器件已成為不可或缺的關鍵組件。在電力電子設備領域，GaN材料通過實現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計的矛盾。因此，GaN現在已經成為輕薄型筆記本電腦和快速充電手機等消費電子產品中的首選材料。展望未來，GaN有望在多個領域逐步取代硅材料，其中，快速充電技術將是其率先實現大規模商用的重要領域。在600V左右的電壓等級下，GaN在芯片面積、電路效率以及開關頻率等方面相較于硅材料展現出了顯著的優勢。 以GaNFast電源集成電路為例，該集成電路將驅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的開關頻率，從而實現了無源元件的小型化和輕量化。此外，通過集成技術減少寄生電感，顯著提升了開關速度。這一技術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計提供了強有力的支持。

在器件層面，GaN半導體針對不同電壓等級的市場需求進行了優化。在低壓段（如15V至數百伏），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。針對不同市場的應用需求，GaN技術不斷演進，以適應更廣泛的應用場景，包括電源適配器、汽車電源系統等。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電等領域展現出巨大的應用潛力。與SiC相似，GaN也在積極探索電動汽車領域的應用機會，致力于推動電動汽車技術的革新與發展。