表 I ：用于电力电子器件的成熟和有前途的研究级半导体的主要材料特性（按带隙能，eg 排序）。其他报告参数包括 临界电场 (Ecrit)、电子迁移率 (μe)、电子饱和度 (Vs) 和热导率 (κth)

有鉴于此，本文介绍了目前较先进的商用碳化硅和氮化镓功率晶体管的特性。在第二部分中，我们从分立器件的角度出发，通过比较碳化硅和氮化镓晶体管（主要在 650 V 范围内），并强调基于这两种材料制造的器件与硅器件之间的主要差异，描绘了市场现状。在第三节中，我们介绍了此类半导器件目前和未来的应用。在第四节中，我们将讨论碳化硅和氮化镓进一步发展所面临的挑战，以及可预见的应用领域。最后，我们将在第五部分对这两种材料进行展望。

商用器件

从历史上看，第一个在电力电子领域引起关注的 WBG 半导体是碳化硅。这主要是由于碳化硅与硅有很强的亲和力，可以很容易地复制已经巩固的器件结构。此外，碳化硅的原生氧化物是二氧化硅，而二氧化硅的特性和加工技术已经在硅基电子学的深入广泛研究中得到了深入探讨。因此，SiC 技术的发展得以迅速启动。

在电力电子领域对这种材料的研究开始十年后，即 1990 年左右，第一个碳化硅肖特基二极管实现了商业化。此后，随着技术的不断改进，市场上出现了电压范围高达 1700 V 的碳化硅 MOSFET、结场效应晶体管 (JFET) 和二极管。

氮化镓的历史始于发光二极管（LED）领域，与碳化硅一样在 1990 年左右开始受到电力电子领域的关注，氮化镓晶体管的首次演示可追溯到 1991 年。然而，就氮化镓而言，与碳化硅的情况一样，事先并不存在工业知识，因此需要更长的时间来获取和稳定这项技术。AlGaN/氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）利用了氮化镓的优点：由于存在原生二维电子气体（2DEG：2-D Electron Gas），这种器件可以实现低导通电阻和高开关频率晶体管。

第一款商用氮化镓功率场效应晶体管是在 Zhong 等人推出市场的，比第一款商用碳化硅器件晚了十年。如今，得益于科研和产业界的不懈努力，虽然大多数现有产品的额定电压为 650 V 或更低，但在市场上仍能找到额定电压高达 1200 V 的 GaN HEMT。据笔者所知，目前市场上还没有分立式氮化镓功率二极管。

A. 商用碳化硅和氮化镓功率晶体管

功率晶体管要实现商业化，必须满足三个主要要求： 1) 能够承受足够高的电压和功率；2) 开关和传导损耗低；3) 实现常开常关操作。本文所分析的 WBG 半导体的固有特性使其适用于制造符合前两个约束条件的器件，即使用于实现这一目标的结构在 SiC 和 GaN 之间存在显著差异。

关于基于 SiC 的晶体管，目前市场上有两种不同的解决方案：垂直（vertical） MOSFET（平面栅极或沟槽栅极）和级联垂直（cascode vertical） JFET。这两种结构都能满足正常关断工作的要求，分别如图 1(a)-(c) 所示。

如前所述，氮化镓可以实现 HEMT。然而，AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件，不适合故障安全电源应用。为了实现常开-常关操作，目前有两种有效技术被广泛采用： 1) 使用 p-GaN 栅极堆叠，如图 1(d)所示；2) 使用级联配置，如图 1(e)所示。目前，在文献中提出的众多其他电子模式 GaN FET 拓扑中，市场上仅有这两种。

这些氮化镓和碳化硅拓扑结构的主要优缺点将在第二章 C 节中讨论。

B. 典型应用电压范围

目前，SiC 功率晶体管主要面向高电压应用，涵盖多个电压等级，如 650V、900V、1000V、1200V 和 1700 V。此外，供应商还提供购买带集成栅极驱动器（同一封装内的硅驱动器）和带温度传感器的完整功率模块的晶体管的可能性。

然而，就高电源电压而言，基于氮化镓的器件的推广几乎完全局限于 650 V 范围，因为市场上只有一家供应商提供 900 V 和 1200 V 等级的解决方案：在 900 V 以上，基于碳化硅的晶体管仍然是设计电源转换电路的首选。至于 SiC，供应商还提供集成栅极驱动器的晶体管以及完整的功率模块。此外，氮化镓供应商还提供购买单片集成驱动器晶体管的可能性，这一点至关重要： 1) 降低栅极回路电感（以尽量减少导通时的栅极应力）；2) 减小共源电感（以实现更高的压摆率）；3) 设计高效的热保护和电流保护电路。

图 1. 商用碳化硅和氮化镓功率晶体管中使用的不同半导体结构示意图。(a) SiC 垂直平面栅极耗尽型 MOSFET。(b) 碳化硅垂直双沟槽 MOSFET。(c) SiC 垂直级联 JFET。(d) 氮化镓 p-GaN 栅极 HEMT。(e) 氮化镓级联 HEMT。

C. 600/650 V 范围内的碳化硅和氮化镓晶体管

为了进一步了解和更好地理解市售解决方案之间的差异，我们决定比较 650 V 范围内的碳化硅和氮化镓分立晶体管，以及一些额定电压更高的产品，以便进行更全面的分析。表 II 报告了从比较器件的数据表中提取的主要相关参数，这些器件选自不同的制造商（并非详尽无遗的清单）。选择的依据是连续漏极电流能力（30 至 50 A 之间）和典型导通电阻值（约 50 m），以便进行公平的比较。

在 650 V 范围内，比较了不同的碳化硅场效应晶体管、氮化镓场效应晶体管和一种硅 MOSFET。RON × QG 功效值（FOM）是评估场效应晶体管效率的一个广泛使用的指标，因为它同时考虑了传导损耗和开关损耗。从设计上讲，很难同时降低导通电阻和栅极总电荷，因此这个 FOM 是一个很好的比较基础（尽管它并不是唯一的依据。

在所有器件中，氮化镓电子模式(e-mode) HEMT 的 RON × QG 值较低，与基于其他半导体技术的竞争对手相比，至少提高了四倍（从碳化硅和硅器件的 RON × QG > 1500 m-nC 到 RON × QG > 300 m - nC）。如果考虑级联 GaN HEMT，则改进幅度仅限于 2 倍。从动态角度来看，GaN e-mode晶体管的输入电容CIN要低得多（在200 pF范围内），而GaN级联HEMT的输入电容CIN则较高（由于使用硅MOSFET驱动常开器件），SiC晶体管的输入电容CIN也较高（超过900 pF）。硅功率 MOSFET 的输入电容甚至更高（超过数千 pF）。

此外，必须注意的是，氮化镓电子模式 HEMT 的反向恢复电荷为零（由于不存在传统的 MOSFET 体二极管），而碳化硅和氮化镓级联 HEMT 的反向恢复电荷为 100 nC，而硅 MOSFET 的反向恢复电荷为数千 nC。高反向恢复电荷会导致转换器的效率下降，并可能在运行过程中造成电压和/或电流尖峰，因此采用低值。图 2(a)通过雷达图对上述参数进行了比较，突出显示了 GaN HEMT 更好的性能。

比较功率晶体管的其他重要参数包括导通延迟时间（td-on： turn-on delay time）、上升时间（tr：rise time）、关断延迟时间（td-off：turn-off delay time）和下降时间（tf：fall time）。它们描述了晶体管快速导通和关断的能力。从这一点来看，本文分析的不同技术之间的差异并不突出，但图 2(b) 中的雷达图显示，氮化镓电子模式 HEMT 平均表现出更好的性能。另一方面，与氮化镓电子模式器件相比，由于硅 MOSFET 的存在，氮化镓级联 HEMT 的导通/关断能力较慢，而与碳化硅和硅功率晶体管相比，则表现出相当的性能。如果以导通/关断时间作为参考指标，则氮化镓功率电子模式场效应晶体管更可取。

图 2. 用于比较表 II 所列 650 V 等级碳化硅、氮化镓和硅器件的雷达图。(a) 报告栅极总电荷、RON × QG FOM、输入电容和反向恢复电荷的雷达图。(b) 报告开启和关闭延迟时间以及上升和下降时间的雷达图。

表 II ：在 600/650 V 电压范围内，来自不同知名供应商的选定商用碳化硅和氮化镓功率晶体管的比较，它们的漏极电流都在 30-50 A 范围内，典型导通电阻值都在 50 MΩ 左右。此外，还增加了 650 V 和 900 V SI MOSFET，以及额定电压较高（900 V 和 1200 V）的 SiC 和 GaN 器件，以资比较。该表报告了以下参数： 材料、供应商、部件、正常关断结构类型（N-OFF 类型）、额定漏源电压 (VDS)、典型导通电阻 (RON)、漏极电流 (ID-max)、 总栅极电荷 (QG)、RON QG FOM、总输入电容 (CIN)、导通延迟时间 (tD-on)、上升时间 (tr)、关断延迟时间 (tD-off)、下降时间 (tf) 和反向恢复电荷 (Qrr)。本表并非市售晶体管的详尽清单

更高的电压范围对未来不同领域的电力电子产品具有重大意义（将在第三部分进一步讨论），因此值得对额定用于此类工作环境的器件进行简要比较。由于目前氮化镓的高电压可达 1200 V，我们在图 2 中采用了与 650 V 市场段比较相同的雷达图，对 900 V 和 1200 V 范围内（除 650 V 外）的氮化镓和碳化硅进行了比较。图 3 概括了更高电压段的新比较，每个电压范围和每种半导体技术包括一个器件。表 II 中的 900 V 硅 MOSFET 不包括在内，因为它的性能无法与所有其他产品相比。

图 3. 表 II 中列出的 650、900 和 1200 V 等级碳化硅、氮化镓和硅器件的比较雷达图（表 II 中列出的 900 V 硅 MOSFET 因性能太差而未包括在内）。(a) 报告栅极总电荷、RON×QG FOM、输入电容和反向恢复电荷的雷达图。(b) 报告开启和关闭延迟时间以及上升和下降时间的雷达图。

图 3 的雷达图再次凸显了氮化镓晶体管更好的动态性能，即使在更高的电压范围内也是如此，这也证实了之前在 650 V 范围内的结论。尽管如此，必须强调的是，目前较高电压氮化镓晶体管的性能和可靠性仍在优化之中（这一主题将在第四部分进一步讨论）。此外，值得提醒的是，在 900-1200 V 电压范围内，市场上只有两种基于氮化镓的解决方案，而碳化硅 MOSFET 可轻松达到 1700 V 工作电压，许多知名供应商提供了数十种选择。

从成本角度来看，基于这两种材料的分立器件在价格上的差异是有限的。如果我们比较表 II 中 650 V 器件的销售价格，截至 2023 年 8 月，硅基器件的价格是较便宜的。氮化镓分立晶体管的价格将上涨 30%，碳化硅分立晶体管的价格将上涨 50%，但价格仍低于 18 美元。对于更高的电压器件，成本更为一致，硅器件的价格与碳化硅持平，而氮化镓的价格将上涨 20%（以 650 V 电压范围为准）。这表明，选择这两种技术中的任何一种对转换器的材料清单（BOM）影响有限。不过，如果我们考虑到某些器件允许转换器在更高频率下工作，从而减少了对笨重和昂贵的无源元件的需求，那么对总体成本的推理就会发生变化。

作为一般性评论，上述雷达图有助于理解为什么在高压和大功率领域，电力电子器件正在向碳化硅或氮化镓等 WBG 半导体发展。

除单个晶体管外，包含多个器件的模块也已实现商业化。这些模块旨在大幅降低寄生元件的有害影响（寄生元件会严重限制高频工作时的性能），并改善热管理，最终实现更大功率密度下的高电压和大电流工作。这些模块可包含半桥或全桥等各种可能配置的晶体管（如果是碳化硅，还可包含二极管），在与特定外部元件配对时，可轻松实现不同的功率转换器拓扑结构。

图 4. 不同功率器件技术的频率和功率范围。请注意，与硅基器件相比，碳化硅和氮化镓器件的工作频率和功率要高得多。

应用

与硅基器件相比，碳化硅和氮化镓功率晶体管由于击穿场强更大（>3 mV/cm），因此体积更小（减少了die面积），并且由于能带隙更宽，可以承受更高的温度。由于 RON 值较低，传导损耗也有所降低，从而有助于提高功率转换器的整体效率，最终需要更小的散热器和冷却系统。从动态角度来看，输入电容和栅极电荷的减少有助于简化器件驱动，从而实现更高频率和更低损耗的运行。如图 4 所示，SiC 和 GaN 还扩大了 Si MOSFET、IGBT 和超结 Si MOSFET 的工作功率区域（和频率）。

采用碳化硅和氮化镓器件所能达到的效率和小型化水平，有利于开发高效的直流-交流和直流-直流转换器，从而减轻电子元件的重量和体积，这对于电动汽车等电池驱动应用以及提高功率密度具有重大意义。

A. 当前应用

尽管基于碳化硅和氮化镓的晶体管从多个角度看都具有多项优势，但它们并没有被广泛应用于所有领域，而这些领域都将受益于它们的适当结合。目前，这类器件在两个不同领域发挥着重要作用。混合动力汽车和电动汽车的牵引逆变器广泛采用了基于碳化硅的器件（特斯拉自 2017 年起开始使用碳化硅晶体管），而在超跑和赛车的车载充电器（OBC）和牵引逆变器中，它们的用量也较少。因此，SiC 晶体管目前主要面向汽车市场。

另一方面，氮化镓通常用于实现智能手机和个人电脑的电源和充电器，因为与传统的硅基交流-直流转换器相比，氮化镓具有更高的开关频率，可实现更大功率的充电器，而体积却要小三倍。基于氮化镓的晶体管在高端光伏逆变器中的用量也较少，这表明目前氮化镓功率器件更偏向于消费电子产品。

B. 未来应用

由于成本的不断降低和工作电压的不断提高，未来将有更多领域受益于碳化硅和氮化镓的特殊性能。特别是，基于上述两种微波基极材料的晶体管有望进一步进入目前由硅器件主导的领域，如 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、栅极关断 (GTO：gate turn-off) 和硅控整流器。当然，这两种技术的具体应用领域取决于目标电压水平，如图 5 所示。

图 5. 氮化镓和碳化硅功率器件当前和未来的关注领域。部分图表转载自 www.flaticon.com。

1) 400 V 以下，预计氮化镓将主导市场。这一范围相当于单相和三相系统的较高家用电源电压，涉及所有家用电器、消费电子产品（智能手机、个人电脑及其充电器）和数据中心的电力电子设备。

2) 在 400 至 1200 V 之间，SiC 和 GaN 可望合作共存，具体取决于每个应用中处理的功率水平。在这一电压范围内，有可能出现用于可再生资源的逆变器、用于工业电机控制的逆变器以及汽车领域的一些应用。由于对汽车电气化的兴趣和需求与日俱增，后者对这两种半导体都具有极大的吸引力。在混合动力汽车和/或电动汽车中，不同的电气设备都需要使用功率转换器，因此也需要使用功率晶体管（见图 6）。实现电力电子元件的高效率、低尺寸和低重量对于延长汽车续航里程、提高舒适性和汽车性能至关重要。

图 6. 混合动力/电动汽车的主要电气和电子构件。

3) 1200 V 以上电压的碳化硅有望在电动火车牵引、风力涡轮机应用和智能电网中发挥重要作用。目前，电动火车牵引对 SiC 极具吸引力，因为其电压在千伏范围内（普通火车可达 5 千伏），SiC 几乎可以替代硅器件（主要是 GTO 和 IGBT），并带来更高的性能和效率。除此之外，SiC 还将在电压更高的系统中发挥作用，如高速列车，其电压可高达 25 千伏。

C. 电路拓扑

对于当前的应用，可根据电压、功率和开关频率要求采用不同的电路拓扑结构。

对于硅基氮化镓，我们首先考虑 USB-C 适配器的情况，它是硅基氮化镓产品市场上采用较快的产品。功率水平可从 33 W 到 250 W 。如果我们考虑负载低于 70 W 的应用，在不需要功率因数校正 (PFC) 的情况下，常见的拓扑结构是准谐振反激式（quasi-resonant flyback），其次是有源箝位反激式（active clamp flyback）。氮化镓器件可以达到很高的频率，但在这些情况下，它们的频率被限制在 300 kHz 以避免电磁干扰 (EMI) 问题。

对于高功率应用，由于需要一个 PFC 升压级作为前端，因此采用了多级拓扑结构。以下各级的拓扑结构与上述相同，但也包括桥式拓扑结构。当需要多个输出电压时，也可以采用硅基级：在这种情况下，硅基开关用于负责直流-直流转换的最后级。

最后，在这种情况下，基于氮化镓的设计可实现更高的功率密度，约为 1.5-1.9 W/cm3 ，2015 年谷歌 LittleBox 挑战赛的结果为 8.7 W/cm3[18]。不过，在设计箝位电路（如果是有源电路则更好）和考虑电压应力时必须小心谨慎，以提供适当的净空，避免 GaN 器件漏极至源极击穿。

氮化镓器件仍有可能处理更高功率（大于 250 瓦），但在这种情况下，软开关或零电压开关（ZVS：zero-voltage-switching）拓扑是首选。具体来说，我们考虑了谐振 LLC 拓扑。在半桥配置中，使用氮化镓器件可实现更高的频率和效率。

正如第二章 C 节所述，氮化镓器件可减少栅极电荷、输出电容、反向恢复时间和电荷，从而分别降低驱动损耗、开关损耗和反向恢复损耗。此外，氮化镓器件还能实现无二极管 H 桥配置，并具有反向传导能力。带并联二极管的 IGBT 或使用硅 MOSFET 的内部体二极管也能实现这些功能，但 GaN 解决方案的效率更高，因为它的 Qrr 更低。

碳化硅器件可用于大功率应用，并已用于实现桥式（或列车牵引用斩波器）拓扑结构的模块中。这些器件和模块通常用于处理大功率的逆变器中。特别是在光伏逆变器中，需要考虑不同的拓扑结构，从两电平、六组基本拓扑结构到更先进的三电平拓扑结构。就效率和零件数量而言，较佳选择是 T 型中性点箝位拓扑结构。

在兆瓦级的大功率、无变压器设计中也会考虑使用碳化硅晶体管：例如，在火车牵引系统中使用碳化硅晶体管可将低频交流导线管电压调整为驱动电机所需的高频交流电压。这是通过适当级联交流-直流、直流-直流和直流-交流转换器来实现的，例如直流-直流部分采用谐振 LLC 转换拓扑结构。

在传统转换器中加入碳化硅二极管，也可利用碳化硅的优势。利用其较小的尺寸、快速反向恢复和高温耐受性，可以成功实现混合设计。

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