寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體在過(guò)去幾年中徹底改變了電力電子行業(yè)。使用碳化硅(SIC)或氮化鎵(GaN)器件進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的效率提升和新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推動(dòng)了這些技術(shù)在工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的廣泛增長(zhǎng)，本文總結(jié)氮化鎵(GaN)在脫碳中的作用以及應(yīng)用說(shuō)明。

　　電力電子在脫碳中的作用

　　大多數(shù)國(guó)家設(shè)定的凈零碳排放目標(biāo)需要多方面的努力，包括：

　　增加可再生能源的使用

　　提高目前基于化石燃料的能源使用的電氣化程度

　　現(xiàn)代化電網(wǎng)，以高效地實(shí)現(xiàn)雙向可再生能源流動(dòng)

　　發(fā)展能源存儲(chǔ)和車(chē)輛充電基礎(chǔ)設(shè)施

　　在最終使用階段提高功率轉(zhuǎn)換效率

　　功率轉(zhuǎn)換效率的提升意味著減少能源使用和損耗。WBG器件的固有材料優(yōu)勢(shì)使得電壓縮放更高效，減少了傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換損耗，以及由于更高的開(kāi)關(guān)頻率和簡(jiǎn)化的冷卻要求而帶來(lái)的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，從而減小了磁性元件的尺寸。

　　橫向GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)通過(guò)高通道遷移率和低寄生電容創(chuàng)造了器件優(yōu)勢(shì)。例如，基于 totem-pole 的功率因數(shù)校正(PFC)階段可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且在效率上比傳統(tǒng)的硅(Si)基解決方案提高了幾個(gè)百分點(diǎn)。以65W手機(jī)充電器為例，預(yù)計(jì)使用基于硅的GaN技術(shù)比硅基技術(shù)在晶圓制造中節(jié)省超過(guò)50%的能源/芯片，并減少充電器生產(chǎn)、分銷(xiāo)和處置過(guò)程中產(chǎn)生的2.1千克二氧化碳。這些優(yōu)勢(shì)源于更簡(jiǎn)單的工藝流程、為給定功率等級(jí)所需的小芯片尺寸，以及系統(tǒng)級(jí)所需的較少組件。結(jié)合終端用戶(hù)的效率節(jié)省，基于三年的使用，預(yù)計(jì)每個(gè)充電器可減少4.6千克二氧化碳。

　　隨著更多商業(yè)和工業(yè)能源使用過(guò)程(如加熱和運(yùn)輸)的電氣化，上述效率提升有助于通過(guò)可再生能源生產(chǎn)推動(dòng)整體脫碳努力。

　　SiC和GaN的互補(bǔ)應(yīng)用

　　McDonald表示，SiC和GaN的當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域是互補(bǔ)的。SiC在更高功率、更高電壓領(lǐng)域(如電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器)中得到了廣泛應(yīng)用。而橫向GaN HEMT則在<650V、中低功率應(yīng)用領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著這兩種技術(shù)在未來(lái)幾年的改進(jìn)，這一界限是靈活的。質(zhì)量和成本是決定任何應(yīng)用領(lǐng)域使用技術(shù)的關(guān)鍵因素。在SiC的情況下，6英寸晶圓是主要的晶圓廠起點(diǎn)，而8英寸硅基GaN現(xiàn)在被許多器件制造商使用。長(zhǎng)期成本節(jié)省可以通過(guò)使用更大直徑的晶圓來(lái)實(shí)現(xiàn)。GaN器件在電池充電器(特別是400V電池電壓水平)和電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的DC-DC轉(zhuǎn)換器中具有潛在應(yīng)用。在這里，競(jìng)爭(zhēng)主要來(lái)自硅器件。汽車(chē)行業(yè)在可靠性要求方面最為苛刻，但在市場(chǎng)規(guī)模方面也最為有利。

　　基板選擇

　　GaN晶體管的初始開(kāi)發(fā)用于射頻應(yīng)用。在這里，通常使用SiC基板，具有更好的晶格匹配和熱性能優(yōu)勢(shì)。目前，功率電子應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的GaN-on-Si技術(shù)利用了Si晶圓的較低成本，以及75年來(lái)在Si器件制造行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)。這種技術(shù)有可能擴(kuò)展到更大的晶圓直徑。幾個(gè)因素限制了基于GaN-on-Si技術(shù)的橫向HEMT器件的使用電壓不超過(guò)650V。這些因素包括在高電壓下需要更厚的緩沖層和增加的橫向尺寸，這兩者都轉(zhuǎn)化為更高的成本。另外兩個(gè)前景被認(rèn)為是擴(kuò)展橫向HEMT器件電壓范圍的有希望的方向。藍(lán)寶石基板，在GaN光學(xué)市場(chǎng)領(lǐng)域中使用，具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。這些包括改進(jìn)的晶格匹配和隔離，允許使用更薄的層，從而降低生產(chǎn)成本。GaN-on-藍(lán)寶石在創(chuàng)建更高電壓器件方面可能是有希望的。具有改進(jìn)晶格匹配的工程陶瓷基板也顯示出潛力，已經(jīng)展示了更高電壓器件的演示。

　　功率GaN應(yīng)用領(lǐng)域

　　GaN器件在適配器/充電器中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度充電。除了關(guān)鍵的效率優(yōu)勢(shì)外，移動(dòng)充電應(yīng)用(如手機(jī)和筆記本電腦)還獲得了其他一些好處。可以容納更大的電池，從而在充電之間實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的使用時(shí)間，或者在這些設(shè)備中使用更豐富的功能集/更高速度。這些更高功率的充電器也可以更普遍地用于許多設(shè)備，如手機(jī)和筆記本電腦，減輕了使用這些設(shè)備的旅行負(fù)擔(dān)。GaN的另一個(gè)具有未來(lái)增長(zhǎng)潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心和電信。

　　人工智能(AI)、云存儲(chǔ)/計(jì)算和高速連接的增加導(dǎo)致了大型數(shù)據(jù)中心的需求，這些數(shù)據(jù)中心需要高功率消耗。因此，提高電力分配和轉(zhuǎn)換的效率將會(huì)導(dǎo)致在這一應(yīng)用中的大量?jī)綦娏p耗的減少。隨著GaN的成本和質(zhì)量的提高，將會(huì)開(kāi)啟更多的應(yīng)用。這可能包括在大量商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

　　汽車(chē)應(yīng)用，如車(chē)載充電器(OBC)和DC-DC轉(zhuǎn)換器，也可能會(huì)看到GaN的使用增加，因?yàn)槠湫芎托阅軆?yōu)于硅，可以克服芯片成本的劣勢(shì)。許多市場(chǎng)調(diào)查預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年，GaN功率器件市場(chǎng)的整體增長(zhǎng)將會(huì)非常強(qiáng)勁，總需求預(yù)計(jì)在2028年將超過(guò)十億美元。汽車(chē)和電動(dòng)出行行業(yè)將會(huì)放大GaN在移動(dòng)和消費(fèi)市場(chǎng)中已經(jīng)享有的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

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