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提高工業(yè)能源效率是制造業(yè)的主要趨勢之一。隨著全球越來越多地轉(zhuǎn)向使用電力，所謂提高工業(yè)能源效率，就是指改進電力電子設(shè)備的運行，例如，投資于節(jié)能電機來最大限度地節(jié)省開支。

當前，大多數(shù)電子設(shè)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(xiàn)信號放大或開關(guān)和功率處理等操作。

與傳統(tǒng)的雙極晶體管相比，MOSFET的主要優(yōu)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(xiàn)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(wěn)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(guān)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(chǔ)，用于成像和傳感等應用，以及射頻（RF）元件和發(fā)光二極管（LED）。這些優(yōu)勢意味著氮化鎵已經(jīng)證明了它能夠在功率轉(zhuǎn)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(nèi)的各種基材上生長，因此可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，包括現(xiàn)有的大直徑硅晶圓。

與硅相比，氮化鎵具備幾個有優(yōu)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(zhì)上比硅更高效，因此消耗的熱量更少，系統(tǒng)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(guān)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(qū)動應用中，更高的頻率還可以降低噪音。此外，它們還能實現(xiàn)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(guān)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(zhuǎn)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(tǒng)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(jié)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(yōu)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(shù)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(yōu)點，大大擴展了應用范圍。從本質(zhì)上講，碳化硅實現(xiàn)了單獨使用硅時無法實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)硅的優(yōu)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(zhuǎn)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(fā)電機輸出轉(zhuǎn)換為端電壓，用于從工業(yè)電機驅(qū)動器到電動汽車電池充電器的近乎無限數(shù)量的應用。

在某種程度上，能量轉(zhuǎn)換過程幾乎肯定會使用功率半導體開關(guān)，而硅基開關(guān)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(guān)固有的功率損耗長期以來一直是導致系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率，而在此之前，除了硅基開關(guān)，幾乎沒有別的選擇。

說到這里，應該強調(diào)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(shè)計必須與之匹配，特別是在想要獲得充分的性能優(yōu)勢的情況下。

碳化硅和氮化鎵器件的應用

碳化硅器件已經(jīng)在越來越多的應用中證明了其作為堅固耐用、最先進的驅(qū)動器的價值。使用Si-MOSFET甚至IGBT的現(xiàn)有應用都能安全地使用碳化硅器件進行改造。為了實現(xiàn)碳化硅的最大效益，還可以利用更高的開關(guān)頻率和小型化的磁性元件實施新的接地設(shè)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(zhuǎn)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(yè)節(jié)能能力

晶體管中的碳化硅和氮化鎵技術(shù)對強勁增長的市場產(chǎn)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(chǔ)設(shè)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(fā)電成本。
• 工業(yè)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(fā)和部署至關(guān)重要。

結(jié)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(yōu)勢，兼具緊湊的尺寸，正在徹底改變消費者和工業(yè)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(xù)的能源供應和使用做出了巨大貢獻。

編者按

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