众所周知，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体，相较传统的硅材料半导体，具备许多非常优异的特性，如高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率以及抗强辐射能力等。前一个十年，第三代半导体材料已经在基站射频、功放等通信领域崭露头角；2021年，随着“十四五”规划的提出，中国将加速推动以SiC、GaN为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程，受益于功率转换的极大应用潜力，第三代半导体开始进入新一轮的增长周期。
市场调研机构Omdia在《2020年SiC和GaN功率半导体报告》指出，全球SiC和GaN功率半导体的销售收入，预计从2018年的5.71亿美元增至2020年底的8.54亿美元。预计未来十年，每年的市场收入以两位数增长，到2029年将超过50亿美元。其中，新能源汽车以及电源有望成为增量最大的两个应用市场。
 

图1：Omdia对于SiC和GaN功率半导体的全球市场收入预测


功率半导体三足鼎立，宽禁带“接棒”硅、探索能效极限
 

谈及功率领域，SiC、GaN对比硅材料的优势体现在导通电阻小、寄生参数小等天然特性，且更多国内外厂商加速入局，势必进一步拉低第三代半导体的生产成本。因此，业界有一部分声音认为，SiC和GaN将会很快全面替代硅材料，而事实上真是这样吗？
在日前举办的EEVIA 第九届年度中国电子 ICT 媒体论坛暨 2021 产业和技术展望研讨会上，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛在阐述功率半导体的发展趋势时表示，“在功率转换的研究中，硅基半导体的物理极限已经被探知，大概在0.4 [Ω mm²]左右徘徊，这是用于表征高压半导体器件导通损耗的计量方式——R_on x A。可以看出，硅基半导体在导通损耗上已经难以继续下探，因此业界开始寻求第三代半导体来实现更低的导通损耗，从而进一步提高系统的转换效率。”

图2：程文涛阐述第三代半导体发展演进趋势

图3：英飞凌眼中的高压半导体器件R_on x A路线图

举个例子，在服务器、通讯电源应用中，业界成熟的方案设计在交流电转换到48V（即交流电转换到服务器主板供电）的过程中实现98%的效率已经属于“基本操作”。不过，硅基半导体方案必须使用元件较多、较复杂的拓扑结构；若想进一步提升效率、减少元件数量、降低BOM成本，目前业界比较热门的做法是图腾柱PFC拓扑结构，特别是基于第三代半导体的图腾柱PFC，其使用元件较少、设计简单，且效率最高。
“从这款用于服务器、通讯电源的3kW SMPS方案可以看出，基于第三代半导体的CCM图腾柱是一种简单的拓扑方案，且易于实现必须的99% PFC效率，进而使总体效率不低于98%。”程文涛补充道，“显然，第三代半导体是在有限的提升空间上，再推动系统效率往前跨一步的关键因素。与此同时，由于第三代半导体的生产成本下降并非一蹴而就，这也就意味着Si、SiC和GaN将长期处于共存发展的态势，而非简单的‘第三代必须替换第一代’。“