GaN so với SiC: Chọn bán dẫn phù hợp cho điện tử công suất

Trong thế giới điện tử công suất, sự chuyển dịch từ silicon truyền thống sang bán dẫn dải cấm rộng (Wide Bandgap - WBG) đang diễn ra mạnh mẽ. Hai vật liệu thống trị quá trình chuyển đổi này: Gallium Nitride (GaN) và Silicon Carbide (SiC). Cả hai đều mang lại ưu điểm đáng kể so với silicon, nhưng chúng vượt trội ở các lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Hiểu rõ điểm mạnh và đánh đổi của chúng là điều thiết yếu để đưa ra lựa chọn thiết kế đúng đắn.

Tại EVSELab, chúng tôi làm việc với cả hai công nghệ trong các dòng sản phẩm. Bài viết này cung cấp so sánh từ góc độ kỹ thuật để hỗ trợ lựa chọn bán dẫn cho các hệ thống điện tử công suất.

Đặc tính vật liệu tổng quan

Trước khi đi sâu vào so sánh ở cấp ứng dụng, cần hiểu sự khác biệt cơ bản về vật liệu giữa GaN và SiC.

Những con số nói lên điều gì

• GaN có độ linh động electron cao hơn và dải cấm rộng hơn một chút, khiến nó xuất sắc cho các ứng dụng tần số cao, điện áp thấp hơn.
• SiC có độ dẫn nhiệt vượt trội hơn hẳn, khiến nó là lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng công suất cao, nhiệt độ cao nơi quản lý nhiệt là yếu tố quan trọng.

Hiệu suất chuyển mạch

GaN: Nhà vô địch tốc độ

GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT) có thể đạt tần số chuyển mạch trong dải MHz với tổn hao chuyển mạch cực thấp. Cấu trúc linh kiện ngang của GaN-on-Si HEMT mang lại điện tích cổng (Qg) và điện dung đầu ra (Coss) rất thấp, cho phép:

• Tần số chuyển mạch 500 kHz đến 5 MHz trong các topology chuyển mạch mềm
• Tổn hao phục hồi ngược gần bằng không (linh kiện GaN không có diode thân theo nghĩa truyền thống)
• Thời gian chuyển tiếp cực nhanh (thời gian lên/xuống dưới 10 ns)

SiC: Ngựa thồ công suất

SiC MOSFET hoạt động hiệu quả ở tần số chuyển mạch 50–200 kHz trong bộ chuyển đổi chuyển mạch cứng, cao hơn đáng kể so với silicon IGBT nhưng thấp hơn khả năng của GaN. Tuy nhiên, linh kiện SiC có sẵn ở mức điện áp và dòng điện cao hơn nhiều:

• SiC MOSFET thương mại có định mức lên đến 3.3 kV
• Định mức dòng điện vượt quá 100 A mỗi die
• Hiệu suất xuất sắc trong topology chuyển mạch cứng

Quy tắc kinh nghiệm: Nếu thiết kế yêu cầu chuyển mạch trên 500 kHz, GaN nhiều khả năng là lựa chọn tốt hơn. Dưới 200 kHz ở công suất cao, SiC thường thực tế hơn.

Cân nhắc về điện áp và mức công suất

Vùng tối ưu của GaN: Dưới 900 V

Các linh kiện công suất GaN hiện có chủ yếu được định mức ở 650 V hoặc thấp hơn, với một số sản phẩm gần đây đạt 900 V. Điều này khiến GaN lý tưởng cho:

• Điện tử tiêu dùng và bộ sạc USB-C PD (đến 240 W)
• Nguồn viễn thông và máy chủ (1–3 kW)
• Micro-inverter năng lượng mặt trời (đến 5 kW)
• Bộ sạc trên xe đến 6.6 kW (một pha)
• Bộ chuyển đổi DC/DC điện áp thấp trong hệ thống 48 V

Vùng tối ưu của SiC: 650 V đến 3.3 kV

SiC MOSFET và diode có sẵn ở các mức điện áp từ 650 V đến 3.3 kV, phù hợp cho:

• Bộ sạc nhanh DC (30 kW đến 360 kW)
• Truyền động motor công nghiệp (10 kW đến 500 kW)
• Bộ sạc trên xe cho xe điện (3.3 kW đến 22 kW)
• Inverter lưu trữ năng lượng kết nối lưới
• Inverter kéo trong xe điện

Vùng giao thoa

Trong khoảng 1–10 kW ở điện áp bus 400–800 V, cả GaN và SiC đều khả thi. Lựa chọn thường phụ thuộc vào:

• Topology: Topology cộng hưởng ưu tiên tốc độ GaN; topology chuyển mạch cứng ưu tiên độ bền SiC
• Ràng buộc nhiệt: Giới hạn nhiệt chặt chẽ ưu tiên khả năng tản nhiệt vượt trội của SiC
• Nhạy cảm chi phí: GaN-on-Si có thể rẻ hơn ở công suất thấp; SiC thắng ở công suất cao

Khác biệt trong quản lý nhiệt

Đây là một trong những điểm khác biệt quan trọng nhất trong thiết kế thực tế. Độ dẫn nhiệt 4.9 W/cm-K của SiC cao hơn gần 4 lần so với 1.3 W/cm-K của GaN. Trong thực tế, điều này có nghĩa:

• Die SiC có thể tản nhiệt nhiều hơn qua đế mà không cần các giải pháp giao diện nhiệt phức tạp
• Linh kiện GaN, dù có tổn hao thấp hơn, đòi hỏi thiết kế nhiệt PCB cẩn thận (đặc biệt cho GaN-on-Si trong package QFN)
• Ở mật độ công suất cao, ưu thế nhiệt của SiC thường vượt trội hơn đặc tính tổn hao thấp của GaN

Ý nghĩa thiết kế thực tế

Đối với thiết kế GaN, kỹ sư phải chú ý đến:

• Trọng lượng đồng PCB nhiều lớp và mảng via nhiệt
• Vị trí pad nhiệt so với các linh kiện driver cổng
• Quản lý luồng khí trong vùng lân cận linh kiện

Đối với thiết kế SiC, trọng tâm chuyển sang:

• Lựa chọn tản nhiệt và tối ưu hóa vật liệu giao diện nhiệt (TIM)
• Thiết kế đế hoặc substrate đồng liên kết trực tiếp (DBC)
• Hình học kênh làm mát chất lỏng cho module công suất cao

So sánh chi phí

Chi phí cấp linh kiện

Tính đến đầu năm 2026, bức tranh chi phí như sau:

• GaN HEMT (650 V, 15 A): Khoảng $2–5 mỗi linh kiện khi mua số lượng
• SiC MOSFET (1200 V, 30 A): Khoảng $5–15 mỗi linh kiện khi mua số lượng
• Silicon IGBT (1200 V, 30 A): Khoảng $2–4 mỗi linh kiện khi mua số lượng

Chi phí cấp hệ thống

Chi phí linh kiện thô chỉ là một phần. Phân tích chi phí cấp hệ thống phải bao gồm:

• Linh kiện từ tính: Tần số chuyển mạch cao hơn của GaN giảm kích thước và chi phí cuộn cảm, biến áp 30–60%
• Hệ thống tản nhiệt: Tổn hao thấp hơn và dẫn nhiệt tốt hơn của SiC có thể giảm chi phí hệ thống tản nhiệt 20–40%
• Độ phức tạp PCB: Thiết kế GaN thường yêu cầu nhiều lớp PCB hơn và ràng buộc layout chặt hơn
• Yêu cầu driver cổng: Driver cổng SiC phải quản lý hiệu ứng Miller plateau; driver GaN phải xử lý hiện tượng bật do dV/dt

Cân nhắc về độ tin cậy

Thách thức của GaN

• Rds(on) động: GaN HEMT có thể thể hiện điện trở dẫn tăng trong điều kiện chuyển mạch nhất định do hiệu ứng bẫy điện tích
• Ổn định điện áp ngưỡng: Trôi Vth dài hạn dưới ứng suất bias cổng nhiệt độ cao
• Lịch sử thực tế hạn chế: Linh kiện công suất GaN có lịch sử ngắn hơn trong ứng dụng ô tô và công nghiệp

Thách thức của SiC

• Độ tin cậy oxide cổng: SiC MOSFET dựa vào oxide cổng SiO2 mỏng hoạt động dưới điện trường cao hơn so với linh kiện silicon
• Suy giảm diode thân: Suy giảm lưỡng cực trong diode thân SiC khi dẫn góc phần tư thứ ba (đã được giảm thiểu trong linh kiện hiện đại)
• Nhạy cảm tia vũ trụ: Linh kiện SiC điện áp cao (1700 V+) yêu cầu giảm định mức cẩn thận cho sự kiện tia vũ trụ mặt đất

Cách EVSELab tiếp cận quyết định

Tại EVSELab, quy trình lựa chọn bán dẫn được dẫn dắt bởi yêu cầu cụ thể của từng dự án. Hướng dẫn chung của chúng tôi:

• Cho bộ sạc trên xe dưới 6.6 kW: Chúng tôi đánh giá cả GaN và SiC, ưu tiên GaN cho thiết kế một pha nơi tần số chuyển mạch và mật độ công suất là quan trọng nhất
• Cho bộ sạc trên xe 6.6–22 kW: SiC là lựa chọn mặc định do định mức điện áp cao hơn và độ bền nhiệt
• Cho module sạc nhanh DC (20 kW+): SiC là người chiến thắng rõ ràng, và nền tảng Grasshopper được xây dựng quanh SiC MOSFET
• Cho nguồn phụ trợ và tầng DC/DC công suất thấp: GaN mang lại ưu thế hấp dẫn

Kết luận

GaN và SiC không phải là các công nghệ cạnh tranh — chúng là bổ sung cho nhau. Mỗi loại có lĩnh vực vượt trội riêng, và các hệ thống điện tử công suất tốt nhất thường sử dụng cả hai. Khi chi phí giảm và hiệu suất linh kiện cải thiện, ranh giới giữa các không gian ứng dụng sẽ tiếp tục phát triển.

Chìa khóa là phối hợp bán dẫn với yêu cầu ứng dụng, không chỉ xét đến các chỉ số cấp linh kiện mà cả toàn bộ hệ thống bao gồm từ tính, quản lý nhiệt, EMC và chi phí.

Cần hỗ trợ chọn bán dẫn WBG phù hợp cho dự án điện tử công suất của bạn? Liên hệ đội ngũ kỹ thuật EVSELab để được tư vấn.