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未來第三代半導體和硅器件將長期共存

（2025年1月15日更新）

目前，全球大約三分之一的能源需求是電力需求、能源需求的增長、化石燃料資源的日益耗盡和氣候變化，這要求我們找到更智能、更高效的能源生產、傳輸、分銷、儲存和使用方法。在整個能源轉換鏈中，第三代半導體技術的節能潛力為實現長期全球節能目標做出了巨大貢獻。此外，寬帶產品和解決方案有利于提高效率、功率密度、尺寸、重量和總成本。因此，它將有助于提高交通、新能源發電、儲能、數據中心、智能建筑、家電、個人電子設備等廣泛應用場景的能效。

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碳化硅除高速外，還具有導熱性高、擊穿場強、電子漂移率高等特點，特別適用于高溫、高功率、高壓、高頻、抗輻射等惡劣條件。

功率密度是設備技術價值的另一個重要方面。SiCMOSFET 芯片面積比 IGBT 小很多，比如 100 A 1200 V的 SiC MOSFET 芯片大小約是 IGBT 與續流二級管之和的五分之一。因此，電機驅動Lumissil代理應用中，SiCMOSFET 包括 650 VSiC MOSFET。

在耐高壓方面，1200 V 以上高壓的 SiC 通過提高系統的開關頻率，可以提高系統的性能和功率密度。

正是由于 SiC MOSFET 在光伏逆變器中，這些優異的性能，UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機驅動和電動汽車都有相應的應用。然而，碳化硅會成為所有應用的最終解決方案嗎？

眾所周知，硅基功率半導體的代表——IGBT 技術在進一步提高性能方面遇到了一些困難。開關損耗和導通飽和壓降相互制約，減少損耗和提高效率的空間越來越小，因此行業開始希望 SiC 能成為顛覆性技術。然而，這種觀點并不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基 IGBT 隨著包裝技術的進步，技術也在進步，IGBT 設備的性能和功率密度越來越高。同時，可以對不同應用程序開發的產品進行一些特殊的優化，從而提高硅設備在系統中的性能，進而提高系統的性能和性價比。因此，第三代半導體的發展過程必須伴隨著硅設備。在技術發展的同時，考慮到不同應用的大規模商業價值因素，在所有應用場景中快速更換硅設備是不現實的。

1 新能源汽車的機遇

續航里程和電池裝機量是新能源汽車相關領域的關鍵，SiC 該技術可以顯著提高，技術可以顯著提高續航里程，降低電池裝機容量和成本。SiC 越來越多的應用，尤其是牽引主逆變器和車載充電器OBC 以及高低壓 DC-DC 轉換器中。SiC 為上述應用帶來的技術優勢。

牽引主逆變器：

● 超過提高電池利用率 5%；

● 系統尺寸可以降低更高的功率密度；

● 導通損失較低；

● 比硅基 IGBT 開關損耗較低；

● 冷卻要求低，被動元件少，從而降低系統成本。

車載充電機 OBC 及 DC-DC：

● 更快的開關速度有助于降低被動元件，從而提高功率密度，或實現更小的尺寸；

● CoolSiC 車規級 MOSFET 行業內高速開關損耗最低；

● 在 PFC 和 DC-DC 在這個階段，可以提高車載充電機的效率因此，冷卻要求較低；

● 支持圖騰柱拓撲結構的雙向充電。

需要強調的是，未來幾年，不同的半導體技術將在市場上并存，在不同的應用場景中具有特殊的優勢。基于不同的里程、效率和成本，SiC 和硅基 IGBT 各有各的發揮空間。例如，SiC 后輪主牽引驅動可提高巡航里程；硅基 IGBT 前輪用于優化成本。在極端情況下，如車載充電機，在同一架構下，多達五種不同的半導體技術，包括 IGBT，硅基二極管、硅基MOSFET，超結 MOSFET 和 SiC MOSFET。

2 氮化鎵和碳化硅的應用目標

與傳統硅材料相比，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）以第三代半導體材料為代表，具有較大的禁帶寬度和較高的臨界場強度，使基于這兩種材料制成的功率半導體具有耐高壓、導電阻低、寄生參數小等優良特性。碳化硅和氮化硅許多不同。

不同目標應用的適用電壓等特性不同：碳化硅適用的電壓范圍為 650 V-3.3 kV，是 1200 V 上述高頻設備具有功率密度高、應用廣泛的特點，如太陽能逆變器、新能源汽車充電、軌道交通、燃料電池中的高速空氣壓縮機DC-DC 以及電動汽車電機驅動和數字化趨勢下的數據中心，這些都將成為碳化硅的應用市場。英飛凌在這些市場上超越了 3000 客戶提供碳化硅產品。

與碳化硅相比，氮化鎵的適用電壓范圍低，從中壓 80 V 到 650 V。但它具有快速開關頻率的特點，氮化鎵的開關頻率可以達到 MHz 因此，它適用于開關頻率最高的中等功率應用，如快速充電、數據中心等。

與朋友相比，英飛凌具有硅、氮化鎵、碳化硅三種主要功率半導體技術，在半導體設計、生產和各種應用領域積累了豐富的經驗，完全以客戶需求為導向，提供優秀的產品和解決方案，滿足客戶獨特的應用需求。

3 氮化鎵著陸的技術挑戰和英飛凌的解決方案

在過去的兩年里，硅基氮化鎵開關設備的商業化過程和五年前市場的普遍觀點發生了很大的變化，其中基于高功率密度快速充電的快速增長是顯而易見的。這說明技術只是影響新材料市場發展的諸多因素之一。在接下來的五年里，我們對氮化鎵的應用領域更為樂觀充電、服務器 / 通信電源、電機驅動、工業電源、音響、無線充電、激光雷達等，快速充電將繼續引領氮化鎵開關設備的市場增長。

硅基氮化鎵作為一種功率開關裝置，在商業化過程中，除了性能和價格外，最受關注的話題是長期可靠性。目前，氮化鎵開關器件大多生長在硅襯底上，以二維電子氣為溝道 GaN HEMT。從 2010年 IR 業內發布的第一款硅基氮化鎵開關設備，可以說對硅基氮化鎵的研究非常深入，但近年來真正的大規模應該是。相對而言，硅乃至碳化硅在市場上運行的時間要長得多，現有設備的數量也要大得多。因此，與其他兩種材料相比，氮化鎵的故障案例要少得多。這也是消費者快速充電成為氮化鎵快速增長引擎的原因之一。此外，由于硅基氮化鎵的超小寄生參數，它不僅給用戶帶來了極低的開關損耗，而且大大提高了驅動此類設備的難度。