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几年前，手机的充电速度大幅提升，从传统5W到240W，功率提升近50倍。当你将手机连接充电器，20分钟电量从0%飙升到100%，“充电5分钟、通话2小时”的广告语都显得太过保守。
现如今新能源汽车领域，充电速度正“卷”向新高度。今年3月，比亚迪基于超级e平台推出兆瓦闪充技术，在1000V电压和1000A电流加持下，声称实现“充电5分钟、续航里程400公里”。其他各大新能源汽车厂商也正在将兆瓦闪充技术投入应用，充电和加油一样快的设想似乎不再遥不可及。
新能源汽车的充电速度越来越快，图片来源网络
你是否曾好奇这背后的技术奇迹？支撑这一速度的核心，正是功率半导体——这些默默无闻的电子器件，正在悄然改变我们的生活体验。
可能你并不清楚，半导体有低功率和大功率之分。
半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料，通过对其掺杂等工艺处理，可以实现对电流的精确控制。大功率半导体，从本质上来说，是指能够在高电压、大电流的条件下稳定工作，并且能够高效处理和转换大功率电能的半导体器件。
我们所熟悉的手机芯片、电脑CPU，是基于硅材料（Si）制造的常规半导体器材。图片来源网络
基于硅材料（Si）制造的常规半导体器件技术成熟、成本较低，在低电压、小电流、低功耗的消费电子领域能够很好地满足性能需求。
为了实现快速充电，就需要一种特殊的大功率半导体材料来帮助电流高效地传输。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）就是其中的“明星材料”。
当半导体成为"电流桥梁"
我们可以把半导体材料比作是一座“桥梁”，电流就像是一辆辆“车”，要从电源端“出发”，通过这座桥，到达设备端“充电”。
假设半导体是一座"电流桥梁"，图片来源：AI作图
硅（Si）：承载能力有限的“木头桥”
常规的硅基半导体材料就像是用木头搭建的桥，虽然也能用，但承载能力有限，如果电流太大，就会“堵车”或者“桥”承受不住。
碳化硅（SiC）：耐压又散热的"合金桥"
碳化硅（SiC）的特点是特别“耐压”，就像是一座能够承受超大重量的“合金桥”。它可以在很高的电压下工作，就像桥能够承受重型卡车通过一样，不会轻易“崩溃”。而且，它散热也很快，就像桥上有很好的通风系统，即使有很多车通过，也不会因为热量积累而损坏。
氮化镓（GaN）：高效低耗的"高速桥"
氮化镓（GaN）的特点是特别“高效”，它就像是一条“高速桥”，能够让电流快速通过，而且损耗很小。它的开关速度特别快，就像交通信号灯能够瞬间切换，让车流顺畅地通过，不会浪费时间。同时，它也能在高电压下工作，而且散热很好，不会因为“过热”而出现故障。
所以，碳化硅和氮化镓这些宽禁带半导体材料，就像是为快充技术量身定制的“超级桥梁”，让电流能够快速、安全地传输，帮助设备更好更快地"充满电"。
应用SiC功率器件的快充技术，图片来源网络
从上面描述中，你可能已经明白功率半导体与常规半导体的主要区别。“大功率”主要体现在三个关键指标上：高电压、大电流和高功率密度。
高电压耐受能力
High voltage withstand capability
高电压耐受能力取决于半导体材料的击穿场强。宽禁带半导体材料（如碳化硅 SiC、氮化镓 GaN）的禁带宽度大，击穿场强比传统硅材料高一个数量级以上，例如SiC击穿场强达3 MV/cm，Si仅0.1-0.3 MV/cm ，这让SiC器件在相同尺寸下能承受更高电压，提升电力系统性能。此外，优化器件终端结构（如场限环、场板）可进一步能增强耐压。
大电流承载能力
High current carrying capability
大电流承载能力由器导通电阻和散热性能决定。宽禁带半导体材料导通电阻低，如SiC MOSFET 的导通电阻仅为传统 Si MOSFET的1/100（MOSFET，一种电压控制元件），更适合大电流应用。同时，大功率器件工作产热多，先进散热技术（如液冷、热管散热）是保障大电流承载的关键。
高功率密度
High power density
高功率密度指单位体积或单位面积内能够处理的功率大小，更高的功率密度意味着更紧凑的系统设计和更高的能量转换效率。宽禁带半导体材料凭借高击穿场强和低导通电阻，功率密度可达传统硅器件10倍以上。优化封装与散热设计，还能进一步提升功率密度。
得益于以上特点，功率半导体以其独特的性能和特性，在现代能源转换和电力电子领域占据着重要地位。除了快充领域，大功率半导体器件还广泛应用于可再生能源发电、工业自动化、数据中心、轨道交通等场景。
大功率半导体应用领域广泛，图片来源网络
在太阳能光伏和风力发电系统中，大功率半导体都是能量转换的核心枢纽。它们凭借高转换效率、低损耗的特性，大幅提升了发电系统的整体能效，确保电力平稳输送至电网。
在我们看不见摸不着的地方，新兴科技正在悄然改变着我们的生活。根据业内机构的预测，新能源汽车领域SiC功率器件的渗透率预计将从2023年的25%提升至2030年的65%。
这场静默的电子革命，正在重新定义我们与能源的关系。
撰稿：
高桑田 季华实验室大功率半导体装备研究部
赵令铵 季华实验室知识产权处
