宽禁带(WBG)半导体在过去几年中彻底改变了电力电子行业。使用碳化硅(SIC)或氮化镓(GaN)器件进行功率转换的效率提升和新拓扑结构，推动了这些技术在工业和商业应用中的广泛增长，本文总结氮化镓(GaN)在脱碳中的作用以及应用说明。

　　电力电子在脱碳中的作用

　　大多数国家设定的净零碳排放目标需要多方面的努力，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电气化程度

　　现代化电网，以高效地实现双向可再生能源流动

　　发展能源存储和车辆充电基础设施

　　在最终使用阶段提高功率转换效率

　　功率转换效率的提升意味着减少能源使用和损耗。WBG器件的固有材料优势使得电压缩放更高效，减少了传导和开关功率转换损耗，以及由于更高的开关频率和简化的冷却要求而带来的系统级优势，从而减小了磁性元件的尺寸。

　　横向GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)通过高通道迁移率和低寄生电容创造了器件优势。例如，基于 totem-pole 的功率因数校正(PFC)阶段可以实现更简单的拓扑结构，并且在效率上比传统的硅(Si)基解决方案提高了几个百分点。以65W手机充电器为例，预计使用基于硅的GaN技术比硅基技术在晶圆制造中节省超过50%的能源/芯片，并减少充电器生产、分销和处置过程中产生的2.1千克二氧化碳。这些优势源于更简单的工艺流程、为给定功率等级所需的小芯片尺寸，以及系统级所需的较少组件。结合终端用户的效率节省，基于三年的使用，预计每个充电器可减少4.6千克二氧化碳。

　　随着更多商业和工业能源使用过程(如加热和运输)的电气化，上述效率提升有助于通过可再生能源生产推动整体脱碳努力。

　　SiC和GaN的互补应用

　　McDonald表示，SiC和GaN的当前应用领域是互补的。SiC在更高功率、更高电压领域(如电动汽车牵引逆变器)中得到了广泛应用。而横向GaN HEMT则在<650V、中低功率应用领域中得到了广泛应用。然而，随着这两种技术在未来几年的改进，这一界限是灵活的。质量和成本是决定任何应用领域使用技术的关键因素。在SiC的情况下，6英寸晶圆是主要的晶圆厂起点，而8英寸硅基GaN现在被许多器件制造商使用。长期成本节省可以通过使用更大直径的晶圆来实现。GaN器件在电池充电器(特别是400V电池电压水平)和电动汽车行业的DC-DC转换器中具有潜在应用。在这里，竞争主要来自硅器件。汽车行业在可靠性要求方面最为苛刻，但在市场规模方面也最为有利。

　　基板选择

　　GaN晶体管的初始开发用于射频应用。在这里，通常使用SiC基板，具有更好的晶格匹配和热性能优势。目前，功率电子应用中占主导地位的GaN-on-Si技术利用了Si晶圆的较低成本，以及75年来在Si器件制造行业的经验。这种技术有可能扩展到更大的晶圆直径。几个因素限制了基于GaN-on-Si技术的横向HEMT器件的使用电压不超过650V。这些因素包括在高电压下需要更厚的缓冲层和增加的横向尺寸，这两者都转化为更高的成本。另外两个前景被认为是扩展横向HEMT器件电压范围的有希望的方向。蓝宝石基板，在GaN光学市场领域中使用，具有几个优势。这些包括改进的晶格匹配和隔离，允许使用更薄的层，从而降低生产成本。GaN-on-蓝宝石在创建更高电压器件方面可能是有希望的。具有改进晶格匹配的工程陶瓷基板也显示出潜力，已经展示了更高电压器件的演示。

　　功率GaN应用领域

　　GaN器件在适配器/充电器中的应用实现了更高的功率密度充电。除了关键的效率优势外，移动充电应用(如手机和笔记本电脑)还获得了其他一些好处。可以容纳更大的电池，从而在充电之间实现更长的使用时间，或者在这些设备中使用更丰富的功能集/更高速度。这些更高功率的充电器也可以更普遍地用于许多设备，如手机和笔记本电脑，减轻了使用这些设备的旅行负担。GaN的另一个具有未来增长潜力的应用领域是数据中心和电信。

　　人工智能(AI)、云存储/计算和高速连接的增加导致了大型数据中心的需求，这些数据中心需要高功率消耗。因此，提高电力分配和转换的效率将会导致在这一应用中的大量净电力损耗的减少。随着GaN的成本和质量的提高，将会开启更多的应用。这可能包括在大量商业和工业应用中使用的电机驱动器。

　　汽车应用，如车载充电器(OBC)和DC-DC转换器，也可能会看到GaN的使用增加，因为其效能和性能优于硅，可以克服芯片成本的劣势。许多市场调查预测，在未来几年，GaN功率器件市场的整体增长将会非常强劲，总需求预计在2028年将超过十亿美元。汽车和电动出行行业将会放大GaN在移动和消费市场中已经享有的强劲增长。

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