Gallium Nitride สามารถแทนที่ Silicon Carbide ได้หรือไม่?

คำตอบสั้น ๆ: ไม่ GaN จะไม่มาแทนที่ SiC - แต่กำลังเข้ามาเคียงข้างอย่างรวดเร็ว แกลเลียมไนไตรด์ให้ประสิทธิภาพสูงกว่าและราคาถูกกว่าซิลิกอนคาร์ไบด์ในช่วงกำลังไฟต่ำถึงปานกลาง ด้วยความถี่ในการสวิตช์ที่สูงและการสูญเสียที่ต่ำ ส่วนในอินเวอร์เตอร์แรงบิดสูงแรงดันสูง อาณาเขตของ SiC ยังคงใช้ได้ผล วัสดุทั้งสองไม่ใช่คู่แข่งกัน แต่เป็นผู้เชี่ยวชาญในช่วงแรงดันและความถี่ที่แตกต่างกัน

ทำไม GaN จึงสวิตช์ได้เร็วกว่าและสูญเสียน้อยกว่า?

คำตอบซ่อนอยู่ในคุณสมบัติทางฟิสิกส์พื้นฐานของวัสดุ GaN เป็นสารกึ่งตัวนำแบนด์แก็ปกว้าง โดยมีแบนด์แก็ปประมาณ 3.4 eV ในซิลิกอนค่านี้คือ 1.1–1.12 eV และใน SiC คือ 3.2 eV แบนด์แก็ปกว้างหมายความว่าสารกึ่งตัวนำสามารถทนต่อสนามไฟฟ้าที่สูงกว่ามากภายในชั้น: สนามวิกฤตที่ทำให้เกิดการเบรกดาวน์ใน GaN ประมาณ 3.3 MV/cm ขณะที่ในซิลิกอนมีเพียง 0.3 MV/cm ผลในทางปฏิบัติคือ อุปกรณ์ GaN สามารถบล็อกแรงดันเท่ากันด้วยชั้นที่บางกว่ามาก ซึ่งให้ค่า on-resistance ต่ำกว่าและคาปาซิแตนซ์ต่ำกว่า

ไพ่ตายที่สองคือความคล่องตัวของอิเล็กตรอน GaN ในโครงสร้างที่เรียกว่า HEMT จะสร้างช่องทางที่เคลื่อนที่ได้สูงมากที่เรียกว่าแก๊สอิเล็กตรอนสองมิติในบริเวณใกล้ผิวหน้า ความคล่องตัวสูงถึงช่วง 1500–2000 cm²/Vs ใน SiC ค่าเดียวกันคือ 700–1000 และในซิลิกอนคือ 1450 ความคล่องตัวสูงหมายถึงการส่งกระแสเท่ากันด้วยความต้านทานน้อยกว่า จึงปรับปรุงทั้งการสูญเสียการนำไฟฟ้าและขีดจำกัดการสวิตช์

การลดลงของการสูญเสียยังมีเหตุผลเชิงโครงสร้างอีกประการ: GaN FET ไม่มีไดโอดตัวเนื้องานแยกต่างหาก ด้วยเหตุนี้การสูญเสียจากการฟื้นตัวย้อนกลับจึงเกือบเป็นศูนย์ - ในขณะที่ SiC FET ทั่วไปมีประจุการฟื้นตัวย้อนกลับเกิน 85 nC คาปาซิแตนซ์ก็ต่ำเช่นกัน: ประจุเกตใน GaN ต่ำกว่า 1 nC-Ω ขณะที่ในซิลิกอนอยู่ที่ 4 nC-Ω และประจุเอาต์พุตคือ 25 nC-Ω เทียบกับ 5 nC-Ω GaN รุ่นใหม่ที่มีตัวขับเกตแบบรวมสามารถสวิตช์ได้ด้วยความเร็วขอบสูงถึง 150 V/ns ซึ่งหมายถึงการสูญเสียต่ำกว่าประมาณ 82% เมื่อเทียบกับ SiC และต่ำกว่า 63% เมื่อเทียบกับ GaN FET แบบแยกชิ้น สรุปที่วัดได้: พลังงานการสวิตช์น้อยกว่าครึ่งหนึ่งของ SiC

ความถี่สูงให้ผลตอบแทนสองทาง: เมื่อสวิตช์เร็วขึ้น ส่วนประกอบพาสซีฟอย่างหม้อแปลง อินดักเตอร์ และคอนเดนเซอร์เอาต์พุตจะมีขนาดเล็กลง ตัวเหนี่ยวนำที่เล็กลง แผงระบายความร้อนที่เล็กลง และตัวแปลงที่กะทัดรัดกว่า - ในวิศวกรรมกำลังไฟ ตัวกำหนดขนาดโดยทั่วไปคือส่วนพาสซีฟ ไม่ใช่ตัวสารกึ่งตัวนำเอง

การเปรียบเทียบ GaN และ SiC: วัสดุชนิดใดเหมาะสมกว่าในตำแหน่งใด?

การลดเทคโนโลยีทั้งสองลงเหลือเกณฑ์เดียวอาจทำให้เข้าใจผิด ความแตกต่างระหว่างทั้งสองจะชัดเจนขึ้นในสี่มิติ

ในด้านการจัดการความร้อน ตารางเอียงไปทาง SiC: วัสดุที่นำความร้อนได้ดีกว่าสองเท่า ช่วยให้คุณใช้ตัวระบายความร้อนที่เรียบง่ายกว่าที่การสูญเสียเท่าเดิม ข้อโต้แย้งฝั่ง GaN คือ ด้วยการสวิตช์ที่สะอาดกว่า ทำให้อุปกรณ์สร้างความร้อนน้อยกว่าภายใต้โหลดที่เทียบเท่ากัน กล่าวคือ GaN รับมือกับความร้อนได้แย่กว่าแต่สร้างความร้อนน้อยกว่า ในการออกแบบจริง แนวทางทั้งสองอาจต้องใช้ปริมาณการระบายความร้อนที่ใกล้เคียงกัน

เรื่องต้นทุนติดขัดอยู่ที่เวเฟอร์ฐานราก GaN เติบโตบนเวเฟอร์ซิลิกอนมาตรฐาน และได้รับประโยชน์โดยตรงจากโครงสร้างการผลิต 300 มิลลิเมตรที่มีอยู่ ส่วน SiC ต้องใช้วัตถุดิบที่แพงกว่ามากและกระบวนการพิเศษที่ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 2500 °C แต่แลกมาด้วยชิปต่อเวเฟอร์ที่มากขึ้นและความทนทานต่อความร้อนที่ดีกว่า บนมาตราส่วนมาตรฐาน GaN อยู่ที่ 1.3 และ SiC อยู่ที่ 2.4 - และข้อได้เปรียบของ GaN มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดการผลิตใหญ่ขึ้น การคำนวณในระดับระบบก็ชี้ไปในทิศทางเดียวกัน: ตัวเหนี่ยวนำที่เล็กลง การระบายความร้อนที่น้อยลง และชิ้นส่วนที่น้อยลง สร้างการประหยัดที่เกินราคาอุปกรณ์เพียงอย่างเดียว

การวางเทคโนโลยีทั้งสามเคียงคู่กันในคอนเวอร์เตอร์เชื่อมต่อกริดแบบสามเฟสด้วยโทโพโลยีเดียวกัน สรุปสถานการณ์ได้ดี: ในขณะที่ IGBT ให้ความหนาแน่นกำลัง 73 W/in³ ที่ความถี่ 20 kHz และประสิทธิภาพ 98.3% SiC ให้ 170 W/in³ ที่ 100 kHz และสูงถึง 98.9% ส่วน GaN ที่ทำงานที่ 900 V ด้วยโทโพโลยีหลายระดับ ให้ 211 W/in³ ที่ 140 kHz และ 99.2% ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าความถี่สูงไม่ใช่เพียงตัวชี้วัดประสิทธิภาพ แต่ยังเป็นตัวชี้วัดความหนาแน่นกำลังด้วย

วันนี้ GaN ถูกใช้ที่ไหนในยานยนต์ไฟฟ้า?

ในฝั่ง EV ถิ่นที่เป็นธรรมชาติของ GaN คือเครื่องชาร์จในตัว (OBC) ที่แปลงกำลัง AC จากกริดไปเป็นแบตเตอรี่ของยานพาหนะ และคอนเวอร์เตอร์ DC-DC ทั้งสองทำงานในช่วงกำลังปานกลาง และเมื่อความถี่ในการสวิตช์เพิ่มขึ้น ผลประโยชน์ด้านปริมาตรจะแปลงเป็นพื้นที่ท้ายรถโดยตรง ในการใช้งานเหล่านี้ที่ต่ำกว่า 10 kW วัสดุแบนด์แก็ปกว้างทั้งสองบางครั้งทับซ้อนกัน - เช่น ในขั้น PFC แบบเฟสเดียว GaN ที่ใช้โทโพโลยี totem-pole ให้การสูญเสียต่ำสุดและประสิทธิภาพสูงสุด

จุดหมุนเชิงพาณิชย์มาถึงในเดือนกุมภาพันธ์ 2025: Changan Automotive เปิดตัวหน่วยชาร์จในตัวที่ใช้ GaN เชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกด้วยเทคโนโลยีของ Navitas หน่วยดังกล่าวรายงานประสิทธิภาพ 96% และความหนาแน่นกำลัง 6 kW/ลิตร ทั้งในการชาร์จและการคายประจุ ปัจจุบัน OBC ที่ใช้ GaN สามารถเข้าถึงช่วงประสิทธิภาพ 96–98% และลดปริมาตรระบบลงได้ 30–60% ด้านความน่าเชื่อถือก็มีความคืบหน้าที่จับต้องได้: งานวิจัยปี 2026 ชี้ให้เห็นว่ามีการพัฒนาโครงสร้าง p-GaN gate ที่เกินเกณฑ์ 4 V สำหรับความต้องการด้านยานยนต์; Infineon เผยแพร่คู่มือเลือกอุปกรณ์ GaN ที่ครอบคลุมสวิตช์แบบสองทิศทางสำหรับ OBC และอินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนของ EV ขณะที่โครงการที่ได้รับการสนับสนุนจากสหภาพยุโรปก็ทำงานด้าน OBC ขนาดกะทัดรัดด้วยเป้าหมายเดียวกัน

ตัวเลขตลาดยืนยันแรงส่งนี้: ตลาด power GaN ทั่วโลกคาดว่าจะเติบโตจาก 615 ล้านดอลลาร์ในปี 2025 เป็นมากกว่า 920 ล้านดอลลาร์; ระบบชาร์จ EV เป็นแรงขับเคลื่อนหลักของการเติบโตนี้ ตลาดอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ครอบคลุมทั้ง SiC และ GaN คาดการณ์ว่าจะแตะระดับ 4 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2026

ขอบเขตของ GaN ในสถาปัตยกรรม 800V เริ่มตรงไหน?

ก่อนอื่นขอให้ชัดเจน: สถาปัตยกรรม 800 V ไม่ใช่แรงดันแบตเตอรี่เดี่ยว แต่เป็นแนวทางระบบที่ครอบคลุมช่วงโดยประมาณ 600-900 V ตรรกะของมันง่าย - เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าสำหรับกำลังเท่าเดิม กระแสจะลดลงครึ่งหนึ่ง ซึ่งช่วยลดขนาดหน้าตัดของสายไฟและขั้วต่อ แต่จุดนี้เองที่ระดับแรงดันของ GaN เข้ามามีบทบาท: GaN FET โดยทั่วไปอยู่ในระดับ 600 V และข้อจำกัดนี้ทำให้การใช้งานแบบสองระดับ (two-level) โดยตรงบนบัส 800 V ถูกจำกัด อินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนแรงดันสูงจึงยังคงเป็นอาณาเขตของ SiC; อุปกรณ์ SiC สามารถไปได้ถึง 1200 V ขึ้นไป ครอบคลุมการขับเคลื่อนยานยนต์และรถไฟฟ้า ฟาร์มโซลาร์ขนาดใหญ่ และตัวแปลงของระบบกริด

ข้อจำกัดนี้ไม่ใช่กำแพงที่แน่นอน แต่เป็นเรื่องของทางเลือกการออกแบบ โทโพโลยีหลายระดับ (multilevel) แบ่งแรงดันที่สวิตช์แต่ละตัวเห็น ทำให้ GaN ใช้งานได้ในแอปพลิเคชันแรงดันสูงเช่นบัส DC 900 V ด้วย; ประสิทธิภาพ 99.2% ในตัวแปลงกริดสามเฟสก็ได้มาจากแนวทางนี้พอดี กล่าวคือ อนาคตของ GaN ในสถาปัตยกรรม 800 V ขึ้นอยู่กับว่าแรงดันของอุปกรณ์หรือความสวยงามของโทโพโลยีจะชนะ - ในระยะสั้นสองแนวทางนี้จะอยู่ร่วมกัน

GaN น่าเชื่อถือหรือไม่ในแอปพลิเคชัน EV?

คำถามนั้นสมเหตุสมผล และคำตอบขึ้นอยู่กับการใช้งาน การประเมินทางวิชาการเน้นย้ำว่าการใช้ GaN อย่างน่าเชื่อถือใน EV ขึ้นอยู่กับว่าความเครียดของตัวแปลงสะสมอย่างไรในรอบการขับขี่จริง และยานพาหนะรับมือความเครียดนี้อย่างไร; กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการรับรองมาตรฐานยานยนต์ยังไม่สมบูรณ์นัก ในทางกลับกัน ก็มีการทดสอบความน่าเชื่อถืออย่างครอบคลุม และต้องไม่ลืมว่า GaN ทำงานแตกต่างจากซิลิคอนหรือ SiC: มีอุปกรณ์หลายประเภท เช่น โครงสร้างตัวนำต่อเนื่องบนเกต (D-mode) และแต่ละประเภทมีกลไกความล้มเหลวของตัวเอง

การอ่านอย่างสมดุลคือ: ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ GaN - การไม่มีไดโอดตัวร่างกาย ค่าความจุต่ำ ไดรเวอร์แบบบูรณาการ - หมายถึงความเครียดและความร้อนที่น้อยลงในทางทฤษฎี ความเสี่ยงคือ ผลกระทบระยะยาวของแรงดันกระชาก วงจรอุณหภูมิ และโปรไฟล์การขับขี่ในสภาพสนามจริง ยังไม่ได้รับการยืนยันด้วยข้อมูลสนามที่กว้างขวางเท่ากับของ SiC ในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้มากกว่าเช่น OBC และ DC-DC ภาพรวมชัดเจนขึ้นอย่างรวดเร็ว; อินเวอร์เตอร์แบบแทรกชันจำเป็นต้องผ่านกระบวนการทดสอบคุณสมบัติในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเช่นนี้เสียก่อน

อิเล็กทรอนิกส์กำลังจะเดินไปในทิศทางใดในปีข้างหน้า?

ประเด็นปัจจุบันสรุปได้เป็นสามหัวข้อ: โครงสร้าง AlGaN/GaN HEMT, อุปกรณ์ GaN แบบตั้งฉาก (vertical) และวงจรแบบ cascode GaN แบบตั้งฉากสำคัญเป็นพิเศษ เพราะเป็นตัวเข้มแข็งที่สุดที่จะดันเพดานแรงดันของโครงสร้างแบบราบ (lateral) ปัจจุบันให้สูงขึ้น - และด้วยเหตุนี้จึงพา GaN เข้าสู่โลก 800 V ได้โดยตรง ส่วนตัวขับเคลื่อนการใช้งานหลักคือ EV และโครงสร้างพื้นฐาน 5G

ข้าพเจ้าสรุปคาดการณ์ได้ดังนี้: ในปีข้างหน้าอิเล็กทรอนิกส์กำลังจะไม่ใช่เรื่องของผู้ชนะเพียงรายเดียว แต่เป็นเรื่องของผู้เชี่ยวชาญที่แบ่งกันตามภูมิภาคการใช้งาน ซิลิคอนจะยึดมุมต้นทุนต่ำและความถี่ต่ำของตนเองต่อไป SiC จะยังคงครองฝั่งอินเวอร์เตอร์แบบแทรกชันและฝั่งระบบกริดที่ต้องการแรงดันสูงและอุณหภูมิสูง ส่วน GaN จะรุกคืบพื้นที่อย่างรวดเร็วในระดับกำลัง OBC, DC-DC และขั้นอินเวอร์เตอร์กำลังต่ำ-ปานกลางที่ความถี่สูง กะทัดรัด และไวต่อต้นทุน แถบทับซ้อนรอบ 10 kW ระหว่างทั้งสองนี้ บังคับว่าทางเลือกของวิศวกรต้องตอบด้วยคำถามว่า "วัสดุใดรองรับเป้าหมายด้านแรงดัน ความถี่ และปริมาณการผลิตใด" ไม่ใช่ "สารกึ่งตัวนำตัวไหนดีกว่า" ทุกรุ่นใหม่ของเคมีแบตเตอรี่จะเรียกร้องตัวแปลงไฟที่ฉลาดขึ้นจากอิเล็กทรอนิกส์กำลัง - และข้อมูลปัจจุบันชี้ว่า GaN จะอยู่เคียงข้าง SiC ไม่ใช่แทนที่ SiC

แหล่งอ้างอิง

• GaN Switching Frequency
• What Makes Gallium Nitride Important for Power Electronics?
• Performance and benefits of GaN versus SiC
• How Gallium Nitride Enables Smaller, More Efficient Power Supplies
• Changan Automobile Launches First Commercial GaN-Based OBC Using Navitas Technology
• GaN topology and device selection for EV OBC and traction inverter
• Revolutionising electric mobility with compact, efficient on-board chargers
• GaN Electric Vehicle Systems-A Comparative Review
• Gallium Nitride Power Devices for High Reliability Automotive
• What is an 800 V vehicle architecture?
• 400V vs 800V Charging: What You Need to Know
• SiC & GaN Transforming Modern Power Electronics
• GaN Power Semiconductor Landscape 2026
• Rise and Rise of SiC and GaN in Power Electronic Industry
• A Comparison of Silicon, Silicon Carbide, and Gallium Nitride for Power Semiconductor Devices