突破硅基限制：WBG如何颠覆未来能源技术

September 19, 2024

Fanny Hu

发布于2024-09-20

如今，电动汽车正在以更快的速度充电，能够行驶更远的距离；我们的智能设备不仅耗电更少，还能处理更多任务。与此同时，能源网络更加高效，风能和太阳能转化为电力的效率空前提高，能源物联网支撑着城市的运转。而这一切背后的关键，正是那些看似不起眼、却拥有惊人潜力的材料——宽禁带（WBG）器件。

在硅统治半导体领域数十年之后，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等为代表的非硅基的第三代半导体正在崛起，正在悄然颠覆我们对电子设备性能的认知，开启一场新的技术革命。

极氪汽车电动动力产品总监Bo Liu，同时也是宽禁带技术领域的专家，为我们深入解读了宽禁带材料的特点与应用现状。

什么是WBG技术？

WBG即宽禁带（Wide Bandgap Technology），是指基于宽禁带半导体材料的电子器件技术。这类半导体主要由具有较宽禁带宽度（Energy Gap）的材料制成，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。Bo Liu表示，在理解宽禁带技术之前，首先要了解功率半导体的作用及其发展历程。

功率半导体是电力电子系统中的关键器件，负责电能的转换、管理和控制，广泛应用于从家用电器到工业控制、电动汽车和可再生能源系统等多个领域。

功率半导体的发展历程中，最早的器件基于硅材料，如二极管、晶闸管和MOSFET，这些器件在中低功率应用中表现出色。随着工业和能源需求的增长，基于第二代砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物的器件应运而生，能够处理更高的电压和电流。然而，随着对更高效、更高频率和更高功率密度的需求增加，如SiC和GaN等第三代半导体材料逐渐成为研究和应用的热点。

图片来自iawbs

WBG与传统硅基材料相比的优势

与传统硅基材料相比，WBG材料的禁带宽度通常大于3电子伏特（eV），比硅基材料要大得多。宽禁带材料也具有更高的熔点，更高的临界雪崩电场强度、更快的载流子饱和漂移速度以及更高的热导率。因此带来了以下优势：

高温操作能力：WBG材料能够在更高的温度下稳定运行，减少对冷却系统的需求，从而提升系统效率和可靠性。
高压承受能力：由于其较高的击穿电场强度，WBG器件能够处理更高的电压，在电力电子应用中显著提高功率密度和效率。
高频操作能力：WBG材料在高频操作中表现出低功耗和高效率，非常适合应用于射频和高频功率电子设备中。
低损耗：WBG器件在开关过程中产生的导通损耗和开关损耗远低于硅基器件，显著提高了能效，尤其是在大功率应用中。
小型化：由于WBG器件能够处理更高的电压和频率，它们可以显著减少元件的尺寸和重量，从而推动设备的小型化和轻量化设计。

这些特点使WBG成为了当前高性能电力电子系统、可再生能源、通信和电动汽车等领域发展的重要推动力。

SiC与GaN的不同特性

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为宽禁带器件的主要材料，各自拥有独特的物理性能。目前在绝大多数情况下SiC和GaN是分开使用的，针对特定的应用选择合适的材料，在不同的应用场景中展现出不同的优势。

SiC：推动高温高压能效提升

碳化硅（SiC）的禁带宽度为约3.26eV，不易受到热激发而产生漏电流，因此特别适用于高温应用。其高击穿电场强度约为硅的10倍，允许器件在高压条件下操作而不易击穿。此外，SiC的热导率是硅的三倍左右，使得其能够迅速散热，从而在高功率密度下保持稳定的工作状态。此外，SiC的电子饱和速度也很高，让电子在材料中移动的速度更快，支持更高频率的开关操作。这些物理特性使得SiC在推动能源效率提升和支持电力电子系统的可靠性方面发挥了重要作用，成为高温、高压和高功率电子应用的首选材料。其应用场景目前主要包括：

电动汽车：当前SiC在电动汽车中的应用尤为突出。它被广泛用于电力电子模块，如逆变器、车载充电器等。由于SiC器件具有更高的能效和更小的体积，它们可以提高电动汽车的续航能力，缩短充电时间，并减少整车重量。
可再生能源：SiC器件在太阳能和风能发电系统中的逆变器应用中发挥着重要作用。它们能够提高能量转换效率，减少散热需求，从而提高系统的可靠性和使用寿命。尤其在大规模光伏电站和风力发电场中，SiC逆变器有助于优化能源收集和输送。
工业电源：在工业高压电源和电力传输应用中，SiC能够在高电压和高温条件下稳定运行，减少电力损耗，提升整体系统的效率。其应用包括电机驱动器、高压直流电源和工业自动化设备。
航空航天：SiC的高温耐受性和高可靠性使之能够在极端环境下提供稳定的性能，在航空电子设备和卫星通信系统中，能够帮助航天器和卫星的高效运行和延长寿命。

GaN：引领高频高效电力转换

GaN的禁带宽度为约3.4eV，比SiC略大，这使得GaN在高温和高压条件下也具有出色的稳定性。但GaN主要以高电子迁移率著称，使得GaN器件能够以极高的开关速度在高频应用中运行。低导通电阻进一步减少了电力转换过程中的损耗，特别是在高频操作下GaN展现出极高的能效优势。总的来说，GaN的物理特性使其成为高效电力转换和高频应用的理想选择，在推动下一代通信技术和高效电源管理方面发挥了关键作用。以下是GaN的主要应用场景：

电源转换：GaN的高开关频率和低导通电阻，使电源转换器可以更加紧凑和高效，如应用于笔记本电脑、智能手机的快速充电器等，提高设备的整体能效和性能。
通信设备：GaN材料目前还被广泛用于射频（RF）功率放大器，尤其是在5G基站、雷达系统和卫星通信中。GaN的高电子迁移率和高频特性使其能够处理大功率的高频信号，从而支持高速数据传输和高带宽通信，提升了通信设备的性能和可靠性。
无线充电：GaN器件能够在高频下工作，有效提高无线充电系统的效率，减少能量损耗，并实现更快的充电速度，在消费电子和电动汽车领域应用广泛。
数据中心和服务器：GaN技术使得电源供应器能够在更高的频率下工作，提高电源转换效率，减少数据中心的能耗和散热需求。这对于降低数据中心的运营成本和提高能源利用率具有重要意义。

SiC和GaN的应用场景，图片来自英飞凌官网

WBG材料在能源领域的主要应用

硅基材料在功率半导体中的成熟应用已达了三四十年年，而宽禁带材料从实验室走向广泛的商业化应用近几年才开始，但已在能源领域展现出广泛的应用潜力。

电动汽车

Bo Liu表示，目前宽禁带材料被应用得最多、最为广泛的领域是电动汽车，大约占整个应用市场80% 以上的份额，其中特斯拉在宽禁带的商业化过程中发挥了重要作用。特斯拉在其电动汽车中广泛采用了碳化硅器件，特别是在Model 3的逆变器中。这一举措不仅验证了SiC技术在电动汽车中的实际应用效果，还大幅提升了车辆的效率和续航里程。特斯拉的成功应用为WBG技术的商业化奠定了基础，吸引了其他汽车制造商和供应商的关注，从而加速了SiC和GaN器件在电动汽车领域的推广。

如今，宽禁带材料在电动汽车领域的应用显著提升了车辆的性能、效率和可靠性，特别是在电动汽车的如逆变器、车载充电器（OBC）和DC-DC转换器等电力电子模块中发挥了核心作用。其次，WBG技术使得电动汽车的电力电子系统更加紧凑和轻量化，显著降低了整车重量，提升了能效，从而延长电动汽车的续航里程，并减少了对大容量电池的需求。

可再生能源

在太阳能和风能发电系统中，WBG器件广泛应用于逆变器和电力转换器中，显著提高能量转换效率，减少热损耗，从而提升太阳能电池板和风力发电机的整体性能。在智能电网中，WBG技术实现更快速和精准的电力控制和传输，有助于改善电网的响应速度和灵活性，使得电网更好地应对可再生能源带来的间歇性供电挑战。在能源存储系统中，WBG技术被用于提升能源转换装置的效率和可靠性。高效的电力转换器和充放电管理设备可以减少能量损耗，并延长储能装置的使用寿命。

能源物联网

在能源物联网领域，WBG器件常用于高效的能量管理和监测系统中。通过将高效的WBG转换器集成到智能传感器和网关中，这些系统可以实现对能源消耗的实时监控和管理，优化能源分配并减少浪费。这对于智能家居、智能楼宇和智能城市的能源管理至关重要，有助于实现更高效的能源利用和更低的碳排放。

宽禁带的技术挑战与未来发展

虽然宽禁带在多个高性能领域展示了巨大的潜力，但其广泛应用仍面临一些挑战。

首先，WBG材料的高成本构成主要障碍，尤其是在原材料、制造工艺和器件加工方面，成本远高于传统硅材料，这限制了它们在价格敏感市场中的应用。

其次，Bo Liu表示，宽禁带材料的大规模商业化应用到现在也才不过10年，尽管在实验室和初期应用中表现出色，但制造工艺尚未完全成熟，晶体生产中的缺陷、工艺复杂性以及产能不足都是阻碍其发展的因素，在实际长期应用中的可靠性仍需进一步验证。

最后，市场接受度和标准化问题也影响了WBG技术的推广。市场对WBG技术的了解和认可度仍需提高，同时技术标准的缺乏和现有系统的兼容性问题也增加了用户的转换成本。

主导公司和趋势

目前，宽禁带半导体领域的代表公司主要包括Wolfspeed、意法半导体、英飞凌、安森美半导体等，这些公司在宽禁带技术的开发和应用方面处于领先地位。Bo Liu表示，过去这些年宽禁带市场基本由国外的巨头公司主导，但随着中国电动汽车产业的快速发展，很多中国公司目前也具备了宽禁带材料的开发和制造能力，预计在未来1到2年内能在绝大多数环节实现国产替代。未来5到10年，宽禁带材料将在多领域展现出更强的技术应用趋势。

首先，随着制造工艺的成熟和生产规模的扩大，宽禁带材料的成本将大幅下降，从而推动其在电动汽车、可再生能源和工业自动化等领域的广泛应用。

其次，WBG材料的性能将持续优化，尤其在提高功率密度、加快开关速度和改善热管理方面，更有潜力的材料结构和器件设计将使SiC和GaN在高频通信、数据中心和5G基础设施等更多复杂应用中展现优势。

最后，随着产业链的整合和标准化进程的加速，器件的互操作性和兼容性的提升，WBG材料必将助力全球能源转型和可持续发展。