【導讀】眾所周知，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體，相較傳統的硅材料半導體，具備許多非常優異的特性，如高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率以及抗強輻射能力等。前一個十年，第三代半導體材料已經在基站射頻、功放等通信領域嶄露頭角；2021年，隨著“十四五”規劃的提出，中國將加速推動以SiC、GaN為代表的第三代半導體新材料新技術產業化進程，受益于功率轉換的極大應用潛力，第三代半導體開始進入新一輪的增長周期。
市場調研機構Omdia在《2020年SiC和GaN功率半導體報告》指出，全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入，預計從2018年的5.71億美元增至2020年底的8.54億美元。預計未來十年，每年的市場收入以兩位數增長，到2029年將超過50億美元。其中，新能源汽車以及電源有望成為增量最大的兩個應用市場。
圖1：Omdia對于SiC和GaN功率半導體的全球市場收入預測
功率半導體三足鼎立，寬禁帶“接棒”硅、探索能效極限
談及功率領域，SiC、GaN對比硅材料的優勢體現在導通電阻小、寄生參數小等天然特性，且更多國內外廠商加速入局，勢必進一步拉低第三代半導體的生產成本。因此，業界有一部分聲音認為，SiC和GaN將會很快全面替代硅材料，而事實上真是這樣嗎？
在日前舉辦的EEVIA 第九屆年度中國電子 ICT 媒體論壇暨 2021 產業和技術展望研討會上，英飛凌電源與傳感系統事業部市場總監程文濤在闡述功率半導體的發展趨勢時表示，“在功率轉換的研究中，硅基半導體的物理極限已經被探知，大概在0.4 [Ω mm2]左右徘徊，這是用于表征高壓半導體器件導通損耗的計量方式——Ron x A。可以看出，硅基半導體在導通損耗上已經難以繼續下探，因此業界開始尋求第三代半導體來實現更低的導通損耗，從而進一步提高系統的轉換效率。”
圖2：程文濤闡述第三代半導體發展演進趨勢
圖3：英飛凌眼中的高壓半導體器件Ron x A路線圖
舉個例子，在服務器、通訊電源應用中，業界成熟的方案設計在交流電轉換到48V（即交流電轉換到服務器主板供電）的過程中實現98%的效率已經屬于“基本操作”。不過，硅基半導體方案必須使用元件較多、較復雜的拓撲結構；若想進一步提升效率、減少元件數量、降低BOM成本，目前業界比較熱門的做法是圖騰柱PFC拓撲結構，特別是基于第三代半導體的圖騰柱PFC，其使用元件較少、設計簡單，且效率最高。
“從這款用于服務器、通訊電源的3kW SMPS方案可以看出，基于第三代半導體的CCM圖騰柱是一種簡單的拓撲方案，且易于實現必須的99% PFC效率，進而使總體效率不低于98%。”程文濤補充道，“顯然，第三代半導體是在有限的提升空間上，再推動系統效率往前跨一步的關鍵因素。與此同時，由于第三代半導體的生產成本下降并非一蹴而就，這也就意味著Si、SiC和GaN將長期處于共存發展的態勢，而非簡單的‘第三代必須替換第一代’。“
圖4：程文濤解讀不同PFC解決方案的過程效率圖
大功率轉換應用升級潛力巨大，快充僅是“投石問路”
誠然，從性價比的角度來看，硅基功率半導體仍然是在非常寬的應用范圍之內的不二之選。不過，隨著“碳達峰、碳中和”概念的全球推行，業界開始轉向電力全產業鏈的能效提升，包括發電、輸電、儲能以及用電等各個環節，有望通過使用第三代半導體實現更低的碳排放。事實上，英飛凌是唯一一家在電力全產業鏈上提供能效解決方案的半導體公司。通過英飛凌的產品和解決方案，為社會帶來的CO2減排量達到5600萬噸/年。
據程文濤介紹，英飛凌對于不同的半導體材料有著清晰的應用定位。Si是各向同性的材料，從低功率到高功率都適用，是當下最主流的功率半導體材料。SiC適用于高功率、中高開關頻率的應用，如光電、風電、電動汽車、充電樁、儲能系統等。GaN則偏向于中功率、最高開關頻率的應用，如服務器、電信、適配器和充電器等。
圖5：英飛凌對于不同半導體材料的應用定位
活動現場上，英飛凌還展示了幾款面向上述行業應用的大功率電源評估板，如基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板，其突破性地實現了99%的系統效率以及72W/in3的超高功率密度，可用于儲能系統的雙向充/放電設計；還有基于CoolGaNTM 的3.6kW LLC電路評估板，其功率密度達到160W/in3，LLC的諧振頻率達到350KHz，且在如此高工作頻率下效率仍超過98%，可用于5G通信電源的設計等。
圖6：基于CoolSiCTM 的3.3kW CCM圖騰柱PFC評估板
“相關數據表明，若美國的所有數據中心都使用英飛凌CoolGaN™ 產品，那么每年有望節省40億度電、減排CO2達到200萬噸。“程文濤補充道，”這是巨大的經濟價值和碳減排價值，但由于行業對于SiC、GaN的使用規模還是相對比較小、相關可靠性的驗證仍然不充分，因此業界對于替換升級還普遍持有謹慎的態度。“在這樣的背景下，由于GaN生產工藝相對成熟，基于GaN的快充技術在近兩年飛速發展，不僅為消費者帶來了體積更小、功率更高的充電器產品，另一方面也成為了業界驗證GaN失效模式、變化規律的“磨刀石“。
程文濤指出，”GaN制造工藝看似簡單、但掌握起來非常困難。例如我們可以采取過度設計的方式，將GaN器件的使用壽命定在50年。但是，一個終端產品使用50年是不現實的，因此我們必須充分了解GaN的瓶頸在哪，像晶體結構大概多久會壞、什么條件下會壞、壞了會影響多少性能等等，這樣才能在設計和制造上打造滿足市場需求的產品！快充應用是GaN的‘磨刀石’，它對可靠性、使用壽命等要求沒那么高，英飛凌也推出了專用于快充的CoolGaNTM IPS系列，幫助更好地驗證自身的GaN技術，再運用到更高功率、更高可靠性要求的行業應用上。“
價格穩步下降，英飛凌布局電力全產業鏈搶占先機
目前，SiC和GaN在2021年的價格相似，但都明顯高于Si。由于規模經濟、缺陷密度和產量提高，以及向新一代的技術升級，第三代半導體的價格有望在未來幾年迅速下降，但從成本角度來看，短時間內并不會達到硅基半導體的水平。“值得注意的是，市面上也可能看到一些定價接近硅基半導體的第三代半導體器件，但并不意味著它的成本就接近硅基半導體，這是為了催生市場的商業行為。在可預見的將來，硅基半導體仍然會占據大部分市場。“程文濤指出。
圖7：第三代半導體的價格有望迅速降低
在英飛凌看來，第三代半導體器件的價值來自于性能提升和拓撲結構優化，且隨著價格下降，某些設計的系統成本將接近硅基半導體的設計。作為功率半導體領域排名第一的廠商，英飛凌擁有廣博的功率產品組合，涵蓋了所有功率和頻率范圍，包括MOSFET、SiC MOSFET、SiC模塊、GaN HEMT、IGBT模塊以及單管IGBT等，廣泛應用于可再生能源發電、能源傳輸和配送、能源儲存、能源使用等領域，助力電力全產業鏈能效提升。
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