同为第三代半导体的氮化镓和碳化硅，他们在应用上有什么不同？

同为第三代半导体的氮化镓和碳化硅，他们在应用上有什么不同？

SiC优势在高压，GaN优势在高频，

为什么两种器件的优势不同？

因为材料特性差异，

如上，几种WBG（Wide Bandgap，宽禁带）材料的基本特性，

EG是禁带宽度，Ecrit是临界击穿场强，μe是电子迁移率，Vs是电子饱和漂移速度，κth是热导率，

相比Si，WBG材料（SiC和GaN）均具备更高的临界击穿场强和更高的热导率，可以实现更高的耐压和更低的导通电阻。

这里插一句，很多人对WBG材料这种表述方式不熟悉，其实专业表述方式，正是宽禁带半导体，而不是第三代半导体，

国外并没有“第几代半导体”这种说法，碳化硅、氮化镓、氧化镓之类的材料，一律称为宽禁带半导体，

国内这种第一代、第二代、第N代的划分，是为了方便讲故事，创造出来的概念。

回归主题，

作为宽禁带半导体材料的代表，近年SiC器件与GaN器件的竞争，甚嚣尘上，

但，由于材料的不同特性，我们更应该期待不同技术的共存，让不同材料，专注于不同的应用场景。

介绍一个概念，生态位”（niche），

即便在一个狭小空间，也可能共存很多物种，因其生态位的不同，彼此不产生竞争。

比如，森林的生态系统，由五个层次构成，

自下而上，

第一层是土壤，

第二层是低矮草皮，

第三层是灌木，

第四层是乔木，

第五层是森林上空。

每一层次，各自生活着不同种类的生物，层次之间，因其生态位的不同，不发生直接竞争。

恰似SiC器件之于高压场景，GaN器件之于高频场景，

森林生态系统的垂直分层，本质上是资源（阳光、养分）的梯度分布，导致生态位分化，

电子器件的应用场景分布，本质上是电参数（耐压、频率）的梯度分布，导致应用生态位分化。

更重要的是，不同生态位之间的生物，存在共生关系，

恰似不同应用场景的各种器件，合力发挥某种功能。

比如，电动汽车中，SiC器件负责高压主驱，GaN器件负责低压辅助电源，Si器件处理控制信号，

恰似乔木、灌木和苔藓在森林中各司其职。

这，便是趋异的思路——不需要使对方出局，双方占据不同生态位，享受不同资源，发挥不同功能。

当然，某些时候，不同生态位之间会出现重叠，竞争在所难免。

前几年，SiC MOSFET主要应用于650V及以上耐压区间，

GaN HEMT则受限于横向结构（源漏在同一平面），耐压难以做高，主要应用于650 V以下耐压区间。

目前，双方都试图进一步开辟市场，

SiC通过降低成本的方式，尝试进入中低压，

GaN通过缓冲层优化等技术，尝试进入中高压，

可以预见，在650V ~ 1200V领域，两种器件将出现激烈竞争，

恰似灌木和乔木对资源的竞争。

第一种引起电力电子领域关注的WBG半导体材料，是SiC，

那大概是1980年，因为SiC与Si的工艺兼容性，即，它是唯一可以通过干氧形成SiO2（作为栅氧）的化合物半导体材料。

1990年左右，SiC肖特基二极管首次实现商业化，

此后，随着技术的发展，SiC得以在高达1700 V的耐压范围内应用于 MOSFET、结型场效应晶体管 (JFET) 和二极管。

而GaN器件历史，始于发光二极管 (LED) 领域，

1990年左右，GaN开始在电力电子领域引起关注。

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) ，充分利用GaN的材料优势：二维电子气 (2DEG)的存在，使其可以同时实现低导通电阻、高开关频率。

相比第一个商用 SiC器件，第一个商用 GaN功率场效应晶体管 (FET)，晚出现10年。

如今，得益于学界、业界的持续努力，市场上已经可以见到额定电压高达1200 V的GaN HEMT，

当然，大多数GaN HEMT产品的额定电压不高于650 V。

再具体聊聊两种器件的应用场景，

先看这张图，横轴频率，纵轴功率，

靠左的三种器件分别为Si MOSFET、Si SJ MOSFET以及Si IGBT，

靠右的两种器件分别为SiC MOSFET、GaN HEMT，

非常直观地看到，SiC MOSFET和GaN HEMT使得功率器件向更大功率、更高频率的方向，进一步发展，

且SiC MOSFET的优势在于更大功率（纵轴方向延伸更多），

GaN HEMT的优势在于更高频率（横轴方向延伸更多）。

相比Si器件，如采用SiC和GaN器件，因其高频、高效（发热量降低）特性，外围元件（电感、电容、变压器、散热）可以进一步精简，整个功率转换器系统的体积得以缩小，

用更加紧凑的整体结构，实现更高的功率密度，这便是WBG器件的优势。

目前，SiC、GaN器件主要应用于两种不同领域，

前者广泛应用于混动、电动汽车的牵引逆变器（特斯拉自2017年起开始使用SiC器件），同时在电动汽车乃至跑车赛车的车载充电器（OBC）和牵引逆变器中也有应用，

因此，SiC器件目前主要面向汽车市场。

而GaN器件主要用于PC、智能手机的电源和充电器，更侧重于消费电子产品。

这张图，对比SiC/GaN器件具体应用场景的差异，

仍然以耐压为分界线，400V以下，GaN主导，1200V以上，SiC主导，

自上而下，

1200V以上，SiC器件应用领域包括风力发电、智能电网和列车牵引，

400V~1200V，SiC/GaN器件共存，应用领域包括光伏逆变器（PV inverters）、混动电动汽车（HEV、EV），以及工业电机控制（Ind. motor control），

400V以下，GaN器件应用领域包括家用电器、PC和智能手机充电器，以及数据中心（服务器电源）。

这张图，展示了混动/电动汽车（HEV/EV）的主要电力电子系统架构，并标注关键模块，对不熟悉汽车构造的芯片从业者来说，很有价值。

简单介绍一下，

1）Off-Board Charger，外部电源，即公共或家用直流充电桩，

2）On-Board Charger, OBC，车载交流充电机，这玩意集成在车里，作用是将家用交流电转换成直流电，为高压电池充电，

3）Traction Inverter，牵引逆变器，将电池的高压直流电逆变为三相交流电，控制电机转速，直白地说，它可以将电能转化为机械能。

4）HV Battery，高压电池，用于存储电能，驱动电机，

5）LV Battery，低压电池（一般为12V），传统汽车电瓶的替代品，为车灯、音响等低压设备供电，由高压电池通过DC-DC转换器维持电量，

6）DC/DC，高压→低压转换器（如400V转12V），将高压电池的电能转换为12V，为低压系统供电，

7）ADAS/Infotainment，辅助系统，包括高级驾驶辅助与车载娱乐系统，由低压电池或DC/DC转换器供电。

关于两种器件的电路拓扑，也简单提几句，

不同应用场景下，功率器件应采用不同电路拓扑结构（circuit topologies），主要决定因素包括电压、功率和开关频率，

先说GaN器件，

低功率（<70W）应用，如USB-C适配器（常说的Type-C 充电器），

这一应用场景，无需PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路，主流拓扑是准谐振反激变换器(Quasi-resonant flyback)和有源钳位反激变换器 (Active-clamp flyback)，

中高功率（70W~250W）应用，采用多级拓扑，前端必须包括PFC电路，后续的DC-DC可以采用反激拓扑或桥式拓扑 (如半桥、全桥)。

更高功率（>250W）应用，必须采用软开关或零电压开关 (ZVS) 拓扑以降低损耗，尤其是谐振 LLC 拓扑。

而SiC器件，主要应用于高功率场景，已形成模块化产品，

主要通过桥式拓扑或斩波器拓扑 (Chopper, 如牵引系统)，构成逆变器，以处理高功率。

1）在高压高功率领域，电力电子正转向SiC和GaN等宽禁带(WBG)半导体器件，SiC核心优势在高压领域，GaN核心优势在高频领域，

2）SiC商用器件是垂直结构，GaN商用器件是横向结构，有此差异，本质上，还是材料特性的差异，造成衬底、外延等技术难度大小不同，进而导致成本的高低，

3）SiC器件广泛应用于混动、电动汽车的牵引逆变器，主要面向汽车市场，GaN器件主要用于PC、智能手机的电源和充电器，更侧重于消费电子产品。

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