Si、SiC、GaN 電源半導體比較與 MOSFET 選型指南

☘️ Article

孟恭觀點

• 這張滿類似 國巨 場次放出來的圖，各個元件的生產商喜歡說自己要取代別人，但最終還是回歸到應用場域和可靠度
• Si 主導傳統中低頻，SiC 攻高功率、低損耗 (電動車、電網)，GaN 攻高頻、小型化、高效率 (快充、伺服器電源)
• 共通點是什麼？lead time 拉長是否可以順利交貨、產能為王
• https://hao.cnyes.com/post/256845
• The Engineer’s MOSFET Comparison Guide: Specs, Trade-offs, and Sourcing Risks | MISEMICON

✍️ Abstract

三句話總結

• 材料定位：Si 橫跨較廣的工作頻率範圍，亦涵蓋多種輸出功率，SiC 面向高電壓下的大功率應用，GaN 以高頻切換支援更小型且效率更高的電源。
• 技術路線預測：鉅亨號 預測 2026~2030 年 SiC、GaN 將擴大 8 英吋 晶圓、整合封裝，SiC 強化高壓可靠度，GaN 推進 Power IC、Vertical GaN。
• 選型準則：MOSFET 選型時，MISEMICON 指南 建議依最壞操作範圍 (worst-case operating envelope) 檢視 VDS、RDS(on)、Qg、Qgd、Coss、SOA，並確認 body diode reverse recovery、thermal impedance、lead time、second source、替代料驗證。

功率半導體頻率功率分布

• 頻率軸：Switching frequency (Hz) 由 10 Hz 至 10 MHz，向右代表頻率提高，圖下方標示 Compact / Accurate。
• 功率軸：Output power (VA) 由 10 VA 至 100M VA，向上代表輸出功率提高。
• Si：圖中涵蓋較廣範圍，標出 Thyristor、GCT、GTO、IGBT、IGBT Module、Discrete IGBT、Discrete MOSFET。
• SiC 應用：圖中標出 HVDC、Large Motor、Transportation、PV Inverter，車用 Drive 區列 EV、HEV、PHEV，OBC 區列 EV、PHEV，並標示 Power Loss Reduction、Cooling Unit Downsizing。
• GaN 應用：圖中列出 Power Supply (Server、Telecom)、Small Power Supply (Quick Charger)，位於較高頻、較低輸出功率區，並標示 Small & High Efficiency。
• 車種圖例：EV、HEV、PHEV 分別標示 Electric Vehicle、Hybrid Electric Vehicle、Plug-in Hybrid Electric Vehicle。
• 鉅亨號技術路線圖：文章預測 2026~2030 年 SiC 將朝 8 英吋基板、Trench MOSFET、Superjunction MOSFET 發展，並提高高壓可靠度，GaN 則擴大 8 英吋 GaN-on-Si、Power IC 整合，Vertical GaN 將由研發邁向中試並瞄準 1.2 kV 以上，功率封裝目標為 寄生電感 < 3 nH、Rth(j-c) < 0.1 °C/W、雙面冷卻。
• MISEMICON 選型指南：建議先界定最壞操作範圍 (worst-case operating envelope)，以 VDS ≥ 1.2 × bus voltage 初篩，按實際 VGS、工作溫度 核對 RDS(on)，再用 Qg、Qgd、Coss、gate driver 強度 評估 導通損耗、切換損耗，檢查 SOA、thermal impedance、body diode reverse recovery、FMEA，最後確認 庫存、lead time、second source，並實測替代料。

孟恭觀點分析

• 材料競爭：元件廠宣稱彼此取代保持保留，認為最後應看產品是否符合實際應用場域的可靠度要求。
• 材料分工：Si 延續傳統中低頻應用，SiC 主攻 電動車、電網 的高功率低損耗場域，GaN 則以高頻切換支援 快充、伺服器電源 的小型化、效率提升。
• 供應能力：lead time 拉長時能否順利交貨仍是共同考驗，供應端關鍵為產能為王。

專有名詞

• Si (Silicon)：元素矽，是圖中傳統矽基功率元件的材料標示。
• Power IC (Power Integrated Circuit)：將 電源開關、控制、驅動、保護功能 整合於同一晶片 或 封裝中的電源積體電路。
• Vertical GaN (GaN-on-GaN)：以垂直方向形成電流路徑的氮化鎵功率元件架構，常以 GaN 原生基板追求更高耐壓。
• VDS (Drain-to-Source Voltage)：MOSFET 汲極與源極間的電壓，額定耐壓需涵蓋 匯流排電壓、暫態尖峰。
• RDS(on) (Drain-to-Source On-Resistance)：MOSFET 導通時汲極至源極的電阻，會影響導通損耗。
• Qg (Total Gate Charge)：MOSFET 開關時閘極須充放的總電荷，影響 驅動損耗、切換速度。
• Qgd (Gate-to-Drain Charge)：閘極與汲極間的電荷量，關聯 Miller 平台並影響切換過程。
• Coss (Output Capacitance)：MOSFET 汲極輸出端的等效電容，影響開關時的 充放電能量、損耗。
• SOA (Safe Operating Area)：以 電壓、電流、脈衝時間 等條件界定功率元件可安全承受的工作區域。
• Body Diode Reverse Recovery (Qrr、trr)：MOSFET 內建二極體由正向導通切換至反向阻斷時，Qrr 是反向恢復電荷，trr 是恢復時間。
• Thyristor：以閘極觸發導通並可鎖定電流的功率半導體開關，通常在主電流降至維持條件以下時關斷。
• GCT (Gate-Commutated Thyristor)：可藉閘極換流關斷的功率晶閘管，是由 GTO 發展而來的元件形式。
• GTO (Gate Turn-Off Thyristor)：可由閘極電流控制關斷的晶閘管。
• PV Inverter (Photovoltaic Inverter)：將光伏電池輸出的直流電轉換為交流電的功率轉換器。
• EV (Electric Vehicle)：以電力驅動的車輛類別，圖中用來標示車用功率應用。
• HEV (Hybrid Electric Vehicle)：由 內燃機、電動馬達 共同驅動，電池主要由引擎 或 再生煞車充電的混合動力車。
• PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)：結合 內燃機、電動馬達、可外接充電電池 的混合動力車。
• OBC (On-Board Charger)：車載充電器，將充電口輸入的交流電轉成直流電供動力電池充電。
• Trench MOSFET (Trench Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)：將閘極置於垂直溝槽內的 MOSFET 結構，讓元件電流採垂直方向流動。
• Superjunction MOSFET (SJ MOSFET)：在漂移區安排交錯的 N、P 柱以管理電場，改善高壓元件 耐壓、導通電阻 的折衷。
• GaN-on-Si (Gallium Nitride on Silicon)：將 GaN 外延層成長在矽基板上的功率半導體結構，可沿用矽晶圓製造生態系。
• Parasitic Inductance：電流回路中非預期的寄生電感，開關瞬態可能造成 電壓過衝、電磁干擾。
• Rth(j-c) (Junction-to-Case Thermal Resistance)：晶粒接面到封裝外殼的熱阻，表示熱由晶片傳至外殼時的阻礙程度。
• Double-Sided Cooling (DSC)：同時從功率模組兩側移除熱量的散熱方式，可降低結到殼熱阻。
• VGS (Gate-to-Source Voltage)：MOSFET 閘極與源極間的驅動電壓，用於控制元件導通程度。
• Gate Driver：向功率元件閘極提供充放電電流、控制 導通、關斷 的驅動電路。
• Thermal Impedance：功率脈衝下接面到外殼之間的暫態熱響應，用於估算瞬間功耗造成的溫升。
• FMEA (Failure Modes and Effects Analysis)：逐一辨識元件可能的失效模式，評估其 系統後果、嚴重程度。